Ruolo del Tecnico nel contouring
e nella fusione di immagini.
Esperienza del nostro Centro
Maurizio Bertodatto
Ospedale Civile di Ivrea S.C. di
Radioterapia
Torino maggio 2015
Ieri come oggi
• Si dava indicazione sulla base di un esame istologico
• Si informava il paziente del rischio dovuto alla esposizione ad
alte dosi
• Si usavano radiazioni ionizzanti a elevata energia
• Si usavano dei collimatori per focalizzare il fascio radiante
• Si cercava di alleviare i sintomi legati agli effetti collaterali
delle radiazioni
Introduzione
..ma
non si riusciva a risparmiare in modo adeguato dall’irradiazione
i tessuti sani e questo portava ad una limitazione della dose
erogata al tumore
Introduzione
Organi a rischio (OAR): tutti quei tessuti sani,
interposti tra il fascio radiante e il volume tumorale, che
idealmente non vorremmo irradiare e la cui presenza
limita fortemente la dose erogata al tumore
Introduzione
Un po’ di storia….
1895: Wilhelm Konrad Röntgen scoprì i Raggi X e quasi
contemporaneamente venne dimostrato che la cute ad essi esposta
andava incontro a dermatite.
1896: Antoin Henri Bequerel scoprì la radioattività naturale
dell’uranio
1898: i cuniugi Curie scoprirono le proprietà radioattive del radio e
del polonio.
1896-1899: il medico di Chicago Emil Grubbe trattò, per la prima
volta, con le radiazioni una paziente affetta da tumore al seno.
1901: Henri Becquerel e Pierre Curie intuirono che le radiazioni
emesse dal radio avevano proprietà di interazione simili a quelle dei
raggi X.
Un po’ di storia….
Agli inizi de XX sec. (e fino al 1935) si riteneva che le radiazioni
ionizzanti naturali avessero addirittura proprietà “rinvigorenti” e
battericide
Un po’ di storia….
Un po’ di storia….
1903: si riconobbe che l'esposizione ai raggi X induceva sterilità nelle
cavie animali.
1904: si segnalarono le prime anemie e le prime leucopenie dovute ad una
esposizione eccessiva ai raggi X.
1920: si descrissero le lesioni tumorali dovute a incorporazione di
sostanze radioattive.
Anni ’20: H. J. Muller dimostrò che i raggi X e i raggi gamma causavano
mutazioni geniche e cromosomiche che potevano essere trasmesse alla
progenie.
Un po’ di storia….
1955: Tzuzuki osservò che tra i sopravvissuti ai bombardamenti di
Hiroshima e Nagasaki si erano osservati diversi casi di leucemia.
Negli anni seguenti si notò l'aumento della frequenza di altre forme
tumorali maligne nei sopravvissuti.
1957: Brown e Doll notarono un aumento della frequenza di leucemie
tra le cause di morte di pazienti trattati con röntgenterapia per
patologie non tumorali.
Attorno al 1960: vennero fatte le prime stime circa le probabilità di
ammalarsi di tumore maligno radioindotto in seguito all'assorbimento
d'una dose unitaria di radiazioni sul corpo intero.
Esisteva quindi una proporzionalità tra dose e probabilità di effetti
tardivi.
Un po’ di storia….
…… per quanto riguarda la Radioterapia?
Un po’ di storia….
Nel 1991 Emami e collaboratori pubblicarono un articolo in cui e’ stata
rivisitata in modo esaustivo la dose di tolleranza dei tessuti sani
basandosi su un’ampia review di letteratura.
In tale articolo si correlava la dose che determinava un rischio di
complicanze pari al 5% (TD5/5) ed al 50% entro i 5 anni (TD50/5) con la
frazione di tessuti sani irradiata (1/3, 2/3 o l’intero organo).
Le casistiche di riferimento comprendevano pazienti trattati con
tecniche 2D.
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
Un po’ di storia….
Grazie a continui studi è stato possibile quindi individuare dei cut off di
dose riferiti a volumi di OAR (constraints) oltre i quali gli effetti
collaterali tardivi si presentano con una maggiore frequenza.
Negli ultimi venti anni l’uso dell’istogramma dose volume (DVH),
disponibile nella pianificazione 3D, ha consentito la quantificazione
accurata della percentuale di volume di tessuto che riceve una
determinata dose.
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
Un po’ di storia….
Danni da Radiazioni
Danni somatici deterministici:
• la frequenza e la gravità variano con la dose
• è individuabile una dose di soglia
• il periodo di latenza è solitamente breve
Danni da radiazioni
Danni somatici stocastici:
• non richiedono il superamento di una dose-soglia per la loro comparsa
• sono di tipo probabilistico
• la frequenza della loro comparsa aumenta con la dose
• hanno lunghi periodi di latenza
• la loro gravità non dipende dalla dose ricevuta
Danni genetici stocastici:
• si manifestano nella progenie degli individui irradiati
Danni da radiazioni
…… per quanto riguarda la Radioterapia?
Danni Acuti
Possono insorgere nel corso della
radioterapia o entro 90 giorni dal suo
termine
TENDONO AD ESSERE REVERSIBILI
Danni da radiazioni
…… per quanto riguarda la Radioterapia?
Danni Tardivi
Possono insorgere da 3 mesi sino a molti anni
dopo la fine della radioterapia
TENDONO AD ESSERE IRREVERSIBILI
Danni da radiazioni
L’evoluzione tecnica e tecnologica delle apparecchiature
dedicate alla Radioterapia ha notevolmente ridotto il rischio
di danni ai tessuti sani
Danni da radiazioni
Ortovoltaggi
Cobalto
Danni da radiazioni
Cobalto
LINAC
Danni da radiazioni
LINAC
LINAC multileaf
Danni da radiazioni
LINAC multileaf
LINAC multileaf+IGRT
Danni da radiazioni
LINAC multileaf+IGRT
Tomoterapia
Danni da radiazioni
Profili e imaging 2D
Danni da radiazioni
Imaging 3D
Danni da radiazioni
Potenza di calcolo
Danni da radiazioni
Schermi standard
Danni da radiazioni
Schermi personalizzati
Danni da radiazioni
Collimatori Multileaft
Danni da radiazioni
TSRM
1918
2015
Danni da radiazioni
Tutto ciò ha portato a una “escalation” di dose con una inevitabile
rishiesta dell’aumento della
precisione
Danni da radiazioni
La radiosensibilitά
Radiosensibilitά: suscettibilità di tessuti
normali o patologici a subire l’azione delle
radiazioni α, β, γ e X.
La radiosensibilità
Esistono organi :
• Fortemente radiosensibili (occhio, ovaio, testicolo)
• Mediamente radiosensibili (intestino tenue, cuore, polmone)
• Poco radiosensibili (ossa, muscoli, grossi vasi)
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
La radiosensibilità
Alcuni organi sono responsabili di funzioni vitali e per tale
motivo devono mantenere la propria funzionalità dopo il
trattamento radiante (tronco cerebrale, midollo, polmone,
cuore)
Altri assicurano funzioni non vitali ma la loro preservazione
permette di mantenere una buona qualità della vita dopo il
trattamento (ghiandole salivari, intestino, occhio, ossa)
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
La radiosensibilità
Ogni organo va considerato come costituito da sottounità dotate
di un’organizzazione particolare:
Organi con strutture in serie (midollo, tubo digestivo, nervi):
la distruzione di una sotto-unità dell’organo altera tutta la
funzione di quest’organo (come l’anello di una catena).
Una dose elevata su un piccolo volume è pertanto tossica
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
La radiosensibilità
Organi con strutture in parallelo (polmone, rene, fegato,
parotide):
l’organo è costituito da sotto-unità indipendenti tra loro.
La funzione dell’organo è alterata quando un certo numero di
sotto-unità vengono distrutte.
L’organo magari nel suo insieme è molto sensibile all’irradiazione,
ma una dose elevata su un piccolo volume è tollerabile
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
La radiosensibilità
Organi con strutture in serie-parallelo (coronarie, miocardio,
retto):
La radiosensibilità
Tutti i tessuti “tollerano” le radiazioni ionizzanti sempre allo
stesso modo?
Esistono delle variabili che generalmente sono
correlate al:
• Trattamento
• Ospite
• Organo
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
La radiosensibilità
Variabili correlate al trattamento
• Frazionamento
• Dose totale
• Dose rate
• Tempo complessivo di trattamento
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
La radiosensibilità
Variabili correlate al trattamento
• Energia
del trattamento
• Volume di trattamento
• L’utilizzo di una chemioterapia concomitante,
radioprotettori o altri modificatori biologici
• L’intervallo tra i cicli di radioterapia in pazienti che
devono essere sottoposti a un secondo ciclo di
trattamento radiante
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
La radiosensibilità
Variabili legate all’ospite
• Co-morbidità
(ad esempio diabete e
patologie vascolari)
• Risposta dell’ospite alle radiazioni e
l’età del paziente
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
La radiosensibilità
Variabili correlate all’organo
• Compromissione
irradiato
o perdita della funzionalità di un organo pre-
• Sviluppo di tossicità acuta severa
• Variazioni anatomiche di radiosensibilità all’interno di un organo
• Organizzazione gerarchica dell’organo (se il danno colpisce solo
una parte dell’organo o tutto l’organo)
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
La radiosensibilità
Dose di tolleranza
La dose di tolleranza agli OAR puo’ essere formulata come:
D max di X Gy
significa che la dose massima erogata all’organo deve in ogni
punto dell’organo essere inferiore o uguale a X Gy
Esempio, per il midollo spinale D max di 45 Gy significa che
nessuna porzione del midollo deve ricevere più di 45 Gy.
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
Dose di tolleranza
La dose di tolleranza agli OAR puo’ essere formulata come:
Vx ≤ Y %
dove la dose di X Gy ( Vx ) non deve essere erogata in più del
Y% di volume dell’OAR
Esempio: il polmone V20 ≤ 35%, che significa che la dose di 20
Gy non deve essere erogata in più del 35% del volume polmonare
(sano o funzionale).
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
Dose di tolleranza
L’ Istogramma Dose Volume (DVH) è attualmente, grazie
alle dosimetrie in 3D, il metodo più completo per descrivere
la dose di tolleranza agli OAR
Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
Dose di tolleranza
Contouring organi a rischio
Contouring organi a rischio
Per calcolare la dose che gli OAR ricevono essi devono
essere individuati e segnalati al sistema preposto per il
calcolo.
Contouring organi a rischio
Esitono diversi softwares dedicati al contouring (Oncentra
Anatomy, Pinnacle, Eclipse etc.)………………………..
Contouring organi a rischio
Su tutte le immagini TAC (fatte senza mdc), mediante
un opportuno software, si contornano le strutture che
si vogliono risparmiare dalla irradiazione aggiungendo
eventualmente un margine che tenga conto
dell’incertezza della loro posizione e movimento.
Contouring organi a rischio
Alcuni organi modificano le loro dimensioni per ragioni fisiologiche
Contouring organi a rischio
… altri le modificano per “contingenze anatomiche”…
Contouring organi a rischio
… altri non le modificano affatto
Contouring organi a rischio
Contouring organi a rischio
Contouring organi a rischio
Contouring organi a rischio
Contouring organi a rischio
Contouring organi a rischio
Su tutte le immagini TAC, mediante software dedicato, si
contornano quei volumi anatomici (Volumi Bersaglio) che si
vogliono irradiare aggiungendo eventualmente un margine
che tenga conto dell’incertezza della loro posizione e
movimento.
Contouring organi a rischio
• Il volume tumorale visibile macroscopicamente (Gross
Tumor Volume – GTV)
• Un volume che include un margine di sicurezza per
l’infiltrazione microscopica della malattia (Clinical
Target Volume – CTV)
• Un volume ancora più ampio che include i margini di
sicurezza per il movimento degli organi e l’incertezza nel
riposizionamento del paziente a ogni seduta di
trattamento (Planning Target Volume – PTV).
Contouring organi a rischio
Di fondamentale importanza è la precisione del
contornamento
Maggiore è la precisione con cui viene contornata una
struttura anatomica più realistica è la stima di dose che
viene calcolata
Contouring organi a rischio
Imaging e fusioni di immagini in
Radioterapia
L’evoluzione tecnologica ha reso disponibili in campo medico
numerose tecniche (tomografiche) di imaging che
forniscono informazioni complementari sui tessuti viventi
Informazione morfologica
Informazione metabolicofunzionale
Da Sghedoni-Fioroni: “Fusioni di immagini PET, CT,
MR: dalla clinica alle applicazioni avanzate”
Imaging e fusione
Lo scopo della Fusione di immagine è quello di combinare
visivamente le informazioni che provengono da diverse modalità
per aumentare le potenzialità documentali di ciascuna di esse
Le immagini RM hanno
miglior contrasto per i
tessuti molli
Le immagini CT
visualizzano meglio l’osso
e forniscono
informazioni sulla
densità elettronica
Le immagini PET
contengono informazioni
metaboliche
La sinergia delle varie
modalità permette di
superare i limiti di ognuna di
esse e arricchisce
l’applicazione clinica
Da Sghedoni-Fioroni: “Fusioni di immagini PET, CT,
MR: dalla clinica alle applicazioni avanzate”
Imaging e fusione
Per fusione di immagine
quindi si intende una
tecnica che:
• permette, dall’unione di
due metodiche di imaging
diverse, di fornire
informazioni aggiuntive
non deducibili dall’analisi
delle singole immagini di
partenza
Da Sghedoni-Fioroni: “Fusioni di immagini PET, CT,
MR: dalla clinica alle applicazioni avanzate”
Imaging e fusione
La Fusione di immagini non crea nuove immagini!
Imaging e fusione
Tutto ciò si può realizzare (con limitazioni che dipendono in genere dalle
metodiche di imaging utilizzate e dai distretti anatomici in esame) solo se
le immagini sono:
• digitali
• in un formato (es. DICOM) che
contenga informazioni
geometriche delle immagini
stesse (dimensione del pixel,
spessore degli strati, valore del
FOV, etc.)
Prima di essere “fuse” le
immagini delle due
metodiche devono essere
CO-REGISTRATE
Da Sghedoni-Fioroni: “Fusioni di immagini PET, CT,
MR: dalla clinica alle applicazioni avanzate”
Imaging e fusione
CO-REGISTRAZIONE: processo in grado di creare una
relazione tra due datasets di immagini mono o multimodali (es. TC di centratura e altro imaging) grazie alla
trasformazione delle coordinate di uno dei due datasets
(altro imaging)
Co-registrazione
Le immagini cliniche possono essere coregistrate in maniera:
• Mentale
• Hardware
• Software
Co-registrazione
Co-registrazione mentale
Gli studi anatomici sono osservati fianco a fianco.
Il medico cerca di correlare le due immagini nella
sua mente.
Ma:
• notevole variabilità tra gli osservatori
• dipende dall’abilità e dall’esperienza
• facile in 2D, complesso in 3D
Co-registrazione
Co-registrazione hardware
La pura registrazione hardware tra immagini multimodali non è possibile, poiché
richiederebbe l‘esistenza di un sistema di detezione unico in grado di registrare
due tipologie di immagini diverse nello stesso momento.
Oggi ciò che si avvicina maggiormente alla registrazione hardware è la PET/TC o
la SPECT/TC dove un apparecchio presenta una TC e un sistema di rilevazione
(PET o SPECT) accoppiati.
Il tipo di registrazione che questi sistemi sfruttano non è basato sulle
caratteristiche dell'immagine ma sulla coincidenza spaziale dei due “pacchetti” di
dati acquisiti.
Co-registrazione
Co-registrazione software
Un software dedicato registra e fonde a posteriori due
set di immagini
Se i parametri geometrici dei due esami non cambiano (condividono lo stesso
sistema di coordinate) le immagini vengono co-registrate automaticamente
dal sistema di elaborazione dei piani di trattamento.
Un esempio : TC in bianco + TC con mezzo di contrasto fatte in maniera
sequenziale dallo stesso scanner.
Co-registrazione
Co-registrazione software
Se i parametri geometrici dei due esami cambiano (non condividono lo stesso
sistema di coordinate) devono essere allineati.
Perchè le immagini possano essere ricondotte a parametri dimensionali comuni, è
necessario che contengano alcune fondamentali informazioni su:
• campionamento tridimensionale
• dimensione del pixel
• spessore della sezione
Co-registrazione
Co-registrazione software
Poiché i dati vengono acquisiti da apparecchiature differenti (TC, RM, PET) in
momenti diversi, l'orientamento delle immagini è spesso sconosciuto.
Le immagini devono quindi essere "mappate" voxel per voxel in un sistema
tridimensionale di riallineamento tenendo conto di alcuni riferimenti spaziali
quali:
• fattore scalare
• matrice di rotazione
• vettore di traslazione
Co-registrazione
Co-registrazione software
La co-registrazione software è:
• l’unico metodo che permette di superare problemi tecnici dovuti alla
mancanza di apparecchiature ibride
• l’unica possibilità in assenza di apparecchiature dedicate
• l’unica tecnica che si può applicare «a posteriori»
Co-registrazione
Metodi di co-registrazione software
In base al livello di interazione tra software e operatore si hanno tre
tipologie principali di procedure:
• Manuale
• Semi-automatica
• Automatica
Co-registrazione
Co-registrazione manuale
Prevede la sovrapposizione di due esami attraverso un software dedicato in base
ai comandi dell'operatore, il quale manualmente sposta i due volumi fino a farli
corrispondere.
• Procedura estremamente dispendiosa
in termini di tempo.
• Non può essere applicata se le
immagini hanno fattori scalari
differenti.
Co-registrazione
Co-registrazione semi-automatica
Si basa sul rilevamento di reperi riconoscibili in entrambi gli esami
destinati alla fusione (caratteristiche geometriche).
• Markers esterni
• Markers interni
Landmark
Co-registrazione
Co-registrazione semi-automatica
Markers esterni:
si applicano sul paziente alcuni markers di materiale visibile su entrambe le
modalità che si vogliono registrare. Grazie a un software gli strati in cui sono
visibili i markers vengono fatti corrispondere.
Markers interni:
in mancanza di riferimenti esterni è possibile registrare le immagini sfruttando
la corrispondenza di reperi anatomici.
Co-registrazione
Co-registrazione automatica (mutua informazione)
La differenza principale dagli altri metodi di registrazione consiste
nella non dipendenza da punti o forme riportate sull'immagine ma da
valori matematici intrinseci nelle immagini.
Poiché esami eseguiti con
metodiche diverse (ex. TC e
MR) descrivono la medesima
anatomia, allora deve esistere
una “mutua informazione” fra i
datasets di immagini
Co-registrazione
Co-registrazione rigida
Qualsiasi trasformazione viene applicata
uniformemente ad ogni pixel che
costituisce l’immagine.
Con la registrazione si riallineano i diversi
sistemi spaziali mediante la stima di
parametri di trasformazione geometrica:
• fattore scala
• matrice di rotazione
• vettore di traslazione
Co-registrazione deformabile
Questa tecnica prima allinea aree di analoga
densità delle due serie di dati, quindi
deforma o “stira” le immagini B per
adattarle alla forma dell’immagini A.
Co-registrazione
FUSIONE DI IMMAGINI: “sintesi, in un singolo
datset, di due o più segnali appartenenti a differenti
datasets di immagini”
Fusione di immagini
Limiti
La principale difficoltà legata alla fusione di immagini è garantire
l’identico posizionamento del paziente durante i vari esami.
Il problema della riproducibilità di posizionamento a volte
dipende direttamente dall'apparecchiatura utilizzata (es. lettino piano
e lettino concavo)
Fusione di immagini
Applicazioni
Cardiologia
Radiologia diagnostica
Oncologia
Radioterapia
• corretta valutazione delle aree metabolicamente attive nell'ambito di
una lesione
• comparazioni tra esami pre e post operatori
• maggiore accuratezza nella individuazione degli OAR
• maggiore accuratezza nella individuazione dei volumi bersaglio
Fusione di immagini
Esperienza del nostro
Centro
Servizio Radioterapia Ivrea
Staff Medico : 1 Responsabile del Servizio + 3 Medici
Staff Fisico : 2 Fisici Sanitari + 1 Fisico Specializzando
Staff Tecnico : 1 Coordinatore + 7 Tecnici di Radiologia
Staff Amministrativo : 2 Amministrativi + 1 Ausiliario
Esperienza del nostro Centro
Apparecchiature
2 Acceleratori Lineari ( Varian – Elekta )
1 TAC Simulatore
6 Stazioni ONCENTRA Masterplan
1 Stazione Pinnacle
4 Stazioni Eclipse
7 Stazioni “Record and Verify” ARIA
1 Irradiatore per sacche ematiche
Esperienza del nostro Centro
Nel nostro centro il contouring degli organi a rischio e la fusione di
immagini (da circa 5 anni) viene eseguito da due Tecnici Sanitari di
Radiologia Medica.
La loro scelta si è basata su:
• adesione volontaria
• periodo di prova
• indicazione del personale medico
Esperienza del nostro Centro
Criticità
• Formazione del personale (assistita, autodidatta, necessita tempi lunghi)
Esperienza del nostro Centro
Criticità
• Avere una postazione di
contornamento riservata al personale
tecnico
• i tecnici dedicati non sono staccati
dalla routine (problemi durante i periodi
di ferie, malattie etc.)
Esperienza del nostro Centro
Vantaggi
L’impiego del Tecnico di radiologia nelle operazioni di contouring e fusioni di
immagini ha portato:
• una crescita professionale del personale tecnico
• una alternativa alla routine quotidiana
• alla velocizzazione delle operazioni di contornamento
• un importante aiuto al personale medico
Esperienza del nostro Centro
Vantaggi
• alla formazione sul campo di altri colleghi
(Aosta)
• corso ECM (teorico-pratico) grazie al
contributo della Rete Oncologica
Esperienza del nostro Centro
Vantaggi
• Studio osservazionale prospettico
multicentrico della tossicità intestinale,
ematologica e urinaria da irradiazione
dell’area linfonodale pelvica (IHU WPRT
TOX) nel tumore della prostata.
– Valutare la tossicità ematologica nei
pazienti con carcinoma prostatico
sottoposti a radioterapia
– Vengono identificate le ossa piatte
del bacino e valutata, pre e post
radioterapia,la componente
corpuscolata del sangue.
Bibliografia
Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica:
“Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello
Sghedoni-Fioroni: “Fusioni di immagini PET, CT, MR: dalla clinica alle
applicazioni avanzate”
Riccardo Ragona: “Fusioni delle immagini in Radioterapia”
Lucignani- Del Sole: “Tecniche di fusioni di immagine”
F. Martinelli: “Il TSRM e le nuove frontiere dell’ “imaging”
