Sabini

Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
RADIOCHIRURGIA STEREOTASSICA
CON GAMMA-KNIFE
M. G. Sabini Responsabile U.O.S. Fisica Sanitaria
L. M. Valastro U.O.S. Fisica Sanitaria
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E
TERAPIA: DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Policlinico Tor Vergata - Roma 27 Giugno 2013
Radiochirurgia Stereotassica (RS)
Il concetto di “radiochirurgia stereotassica” fu introdotto circa 50 anni
fa dal neurochirurgo svedese Lars Leksell. Questo termine definisce una
tecnica di distruzione di un bersaglio predeterminato di dimensioni
ridotte (3 cm diametro)
E’ stata concepita per ridurre i rischi della chirurgia tradizionale:
- Elevate dosi di radiazioni ionizzanti somministrate in una unica seduta, - Utilizzo di procedure stereotassiche (caschi rigidi fissati al cranio) per
il centraggio della lesione (0.3 mm)
- Risparmio degli OAR
•Prof. Leksell e Dott. Larsson nel 1958 effettuarono il primo trattamento
in Svezia con Gamma-Knife
1
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
201 sorgenti di 60Co (A=6600 Ci
nominale ) distribuite in cerchi
concentrici su un elmetto metallico
modellato a tronco di sfera
Gamma Knife® C
Helmet con collimatori x focalizzare i
201 fasci radianti nel punto
endocranico previsto e per proteggere
e schermare le regioni circostanti
Sistema robotizzato di posizionamento
(APS) che aggancia il casco
stereotassico chirurgicamente
posizionato alla testa del paziente,
alla macchina di trattamento e sposta
quindi il capo verso le posizioni di
fuoco previste dal treatment planning
Il Gamma Knife usa fasci di raggi
gamma per trattare patologie
maligne e benigne dell’encefalo,
quali tumori, meningiomi, nevralgia
del trigemino, MAV, neurinomi
acustico, adenomi ipofisari
Il Cobalto-60 vita media di 5.3 anni, decade in Nichel-60 emettendo un
elettrone e due γ da 1.17 e 1.33 MeV,
201 sorgenti di 60C0 sono
posizionate su una matrice
semisferica e
convergenti, attraverso un
collimatore, in un unico
punto focale “isocentro”
2
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Principi del Leksell Gamma Knife® C
• unità radiante fissa
Componenti principali: • collimatori (fissi e mobili)
• sistema di posizionamento (APS)
Sistema di
posizionamento
automatico (APS)
Sorgenti di
60Co
Canale dei
collimatori fissi
(Pb, W, Al)
Direzione di ingresso
nell’unità radiante
Materiale
schermant
e (Fe)
Copertura in
plastica
Porte
schermanti
Lettino per il
trattamento
Elmetto dei
collimatori mobili
Principi del Leksell Gamma Knife®
Unità radiante fissa
Attività totale all’installazione: 5119 Ci
20 dischetti
sovrapposti di 60Co di
raggio = 0.5 mm
spessore = 1 mm
201 sorgenti di 60Co
sulla superficie di una
semisfera lungo 5 anelli
60Co
3
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Principi del Leksell Gamma Knife®
Collimatori
collimatore mobile
(elmetto)
18 14 8 4
Apertura collimatori dell’elmetto
(diverse dimensioni della lesione)
diametri dei fasci all’isocentro:
• 18 mm
• 8 mm
• 14 mm
• 4 mm
Installazione Leksell Gamma
Knife® C c/o A.O.C.
4
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Procedure atte all’accettazione dei
locali e della macchina
I test di accettazione e collaudo consistono nella determinazione e
verifica di alcuni parametri come:
La determinazione del rateo di dose
L’accuratezza di centraggio del GK
Misura penombra del fascio
Output factor
Queste verifiche sono state eseguiti e valutati dalla Elekta con l’equipe di
fisica sanitaria, ed i risultati rientrano nelle caratteristiche specificate
dell’Elekta.
Misura del rateo di Dose
IAEA 398
Dw = M ⋅ N D ,W ⋅ kTP ⋅ k pol ⋅ k S
• Camera a ionizzazione cilindrica
EXRADIN A18 (diametro interno pari a 1.0
mm e volume nominale di 0.125 cm3)
• Collimatore 18 mm
• Isocentro (100, 100, 100)
Rateo di dose = 3.280 Gy/min al gennaio 2005
Cambio sorgenti novembre 2011: 3.43 Gy/min
Sono stati quindi misurati i valori di output
factors (OF) fissando una dose pari a 30 Gy per
tutti e quattro i collimatori. I valori ottenuti
sono stati confrontati sia con i valori tabulati
dal LGP che con quelli del centro Gamma-Knife
di Verona, e si nota una differenza massima del
3.5% per il collimatore da 4 mm
5
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Accuratezza del centraggio
L ’ accuratezza del centraggio viene valutata
lungo gli assi X, Y, e Z utilizzando
un ’ apposito fantoccio in cui viene inserito il
Gaf. Al centro del fantoccio, vi è un
particolare spillo che crea sul Gaf un piccolo
foro.
Per verificare il corretto posizionamento delle
sorgenti
si misura la distanza tra la
discontinuità creata dal foro ed il centro del
profilo nella direzione x, y, z. In particolare
la differenza tra le due distanze misurate,
deve essere minore di 0.5 mm. Nel nostro
caso tale differenza è risultata di 0,13 mm,
e quindi in ottimo accordo con le specifiche
tecniche della macchina.
Controlli di qualità (AAPM REPORT NO.54)
PHYSICIS
Timer constancy
Mounthly
Timer linearity
Mounthly
Timer accurancy
Mounthly
On-off error
Mounthly
-0.03 min
Trunnion centricity
Mounthly
0.5 mm
Radiation Output
Mounthly
2%
Annual
3%
Mounthly
3%
Relative Helmet Factors
Anticipated Output vs Measured
DOSIMETRY
Computer Output vs Measured Radiation/Mechanical
Isocenter Coincidence
Dose Profiles
Mounthly
3%
Annual
0.4 mm
After sorce change or
n the acceptance test
SAFETY
Timer termination of exposure
Door Interlock/ Emergency Off Buttons
Daily
Daily
Beam Status Lights
Mounthly
Emergency Release Rod
Mounthly
Audio-Visual Communication Systems
Permanent Radiation Monitor
Helmet Microswitch
Hand Held Radiation Monitor
Couch Movement Time Deviation
0.5 cm trip point
Daily
Annual
Functional Test
Mounthly
0.1 mm trip point
Daily
10% Annual
Mounthly
<0.5 min from initial couch
movement calibration
6
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Il trattamento con gamma knife®
Leksell GammaPlan®
LGP utilizza un algoritmo di calcolo analitico basato su alcune
approssimazioni:
Ricostruisce la scatola cranica del paziente usando 24 punti di
misura;
Utilizza il valore medio dell’energia dei fotoni, pari a 1,25 MeV;
Sistema di pianificazione dei trattamenti (TPS) Leksell GammaPlan®
Controllo e gestione del sistema
durante il trattamento
Piani di cura
• Immagini digitali della testa
tramite TC e/o MRI, Angio
• Ricostruzione della forma e
delle dimensioni della testa
• Visualizzazione nei 3 piani:
assiale, coronale e sagittale
7
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Gamma Plan
•Le immagini sono acquisite
dalla stazione G-P
L’equipe: Fisico,
Radioterapista, Neurochirurgo
eseguono:
• contorno del target e dei
OAR
• TP: Determinazione del
numero di fuochi più idonei
tramite i differenti collimatori
per ottimizzare la miglior
copertura al target
•Controllo degli istogrammi
dose-volume
Trattamenti effettuati dal 2006 ad oggi
Patologie trattate con Gamma Knife®
anno 2006-2012
500
450
TOTALE
400
350
1032
LESIONI
300
250
459
200
340
150
100
50
87
64
32
6
0
Neurinoma
dell'acustico
Neurinomi di
altri nervi cr.
Meningioma
intracranico
Adenoma
ipofisario
Metastasi
cerebrale
Nevralgia del
trigemino
20
Malformazione
artero-venosa
24
Altri
Totale pazienti 860
8
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Esempi di casi clinici:
Neurinoma dell’acustico
21/01/2012
18/09/2008
24 Gy totale
Neurinoma dell’acustico
31/01/2013
10/07/2007
22 Gy totale
9
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Metastasi in area critiche
metastasi talamo-mesencefalica (2007)
dopo 34 mesi dal trattamento: 13.5 Gy, isodose del 45%, dose max 30 Gy
Astrocitoma
(sclerosi di Bourneville)
14/09/2006
11/08/2007
10
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Adenoma ipofisario non secernente
21/02/2007
01/06/2005
In proiezione coronale
Leksell Gamma Knife® PERFEXION™
Un nuovo sistema per la
radiochirurgia
stereotassica del
cervello, colonna
cervicale e delle regioni
testa-collo
192 sorgenti di
60Co
Cambio automatico dei collimatori
Riduzione tempi di trattamento (no pause)
Maggior possibilità di comformare la dose
11
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Volume Trattabile
• Volume cranico trattabile
aumentato del 300%
• Cervello
~ 10% di indicazioni in più per
maggior raggiungibilità
• Testa collo
~ 10 % indicazioni in più per
lesioni nel seno paranasale,
orbite e alcune zone alto
cervicali
• Lesioni cervicali
~ 20% indicazioni per zona alta
spinale
Gamma Knife C
Gamma Knife
PERFEXION
Vantaggi della Perfexion
12
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Simulazioni Monte Carlo con Geant4
(CERN di Ginevra, 1998) tecnologia orientata ad oggetti scritto in C++
Metodo Monte Carlo : generazione di un grande numero di
eventi, in modo casuale, per la risoluzione di un problema
deterministico
Simulazione: delle 201 sorgenti, dei collimatori, di una “unità
elementare” e del fantoccio sferico
Impiego della simulazione per 2 trattamenti clinici
Materiale schermante
Elmetto mobile
Sorgente radioattiva Collimatore fisso
Isocentro
Collimatore finale Diametro del fascio
Dal 2010: Advanced Example –GEANT4
(GEANT4.CERN.CH)
Validazione del programma GammaKnifeRS
Confronto con i 4 collimatori (20 Gy all’isocentro)
Sovrapposizione profili sperimentale e simulato
Sovrapposizione isodosi sperimentali e simulate
50
10
15
7070
90
5050
10
0.4
10 10
30
0.2
20
20
-15
-10
-5
0
GAF HS:
12 fogli da 3 x 3 cm2
al centro del fantoccio
0.6
30
30
20
20
30
-20
20
0.8
70
70
20
5
70
70
50 50
20
30 30
Y [mm]
0
20
-5
50
50
-10
90
-15
1
90
20
10
Simulato
Indice gamma
-20
90
15
Sperimentale
1.4
1.2
20
10
20
0
30
5
40
1.6
90
90
90
0
20
60
-5
1.8
50 5
0
30 30
18 mm
80
70
70
90
50
30
Dose percentuale
-10
20
20
30
30
20
100
30
30
20
10
20
10
10
-15
10
20
Sperimentale
20
Simulata
-20
0
20
1
5
10
15
20
X [mm]
X [mm]
Sovrapposizione isodosi sperimentali e simulate
Sovrapposizione profili sperimentale e simulato
1
-20
Sperimentale
Simulata
0
1.8
-15
1.6
1.4
20
3050
70
90
2
30
50 0
60
10
0
5
30
10 20
10
Y [mm]
-5
50
Dose percentuale
80
-10
1.2
1010
Sperimentale
Simulato
Indice gamma
1
90
4 mm
100
70
30 20
0.8
10
40
0.6
10
0.4
15
20
0.2
20
0
-20
-15
-10
-5
0
X [mm]
5
10
15
20
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
X [mm]
γ<1
Simulazione validata
entro gli errori
sperimentali !
13
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Confronto tra GammaKnifeRS e il TPS GammaPlan®
Buon accordo tra i dati del TPS GammaPlan® e
i risultati della simulazione!
per piani passanti del
centro del fantoccio
(in assiale)
per piani a varie distanze
del centro del fantoccio
(in assiale e coronale)
In condizioni standard
(fantoccio di acqua)
In caso di disomogeneità ?
Confronto tra GammaKnifeRS e il TPS GammaPlan®
cubo di aria
3 cm di spigolo
disomogeneità aria-acqua
(es.: cavità nasali)
Sovrapposizione profili simulato e del TPS
Sovrapposizione isodosi simulate e del TPS
-20
20
10 30
30
90
15
Simulato
Indice gamma
-20
-15
-10
-5
20
0
X [mm]
5
10
15
20
10
0
30
20
-20
-15
-10
50
0.6
50
TPS
20
30
20
70
10
50
30
90
70
30
20
20
10
1
0.8
90
770
0
50
20
40
1.2
Volume
di aria
90
90
30
30
50 50
Y [mm]
20
30
5
1.4
30
0
70
1.6
50
Volume
di aria
90
90
-5
60
10
20
50 50
7700
20
Dose percentuale
20
10
-10
80
1.8
Simulata
30
10
100
10
Sperimentale
20
TPS
Simulata
10
-15
20
0
30
0.4
10
20
20
-5
10
1
10
20
0.2
10
0
5
10
15
20
X [mm]
γ > 1 differenze di dose in percentuale fino al 4% !
14
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Misure su fantoccio antropomorfo Alderson-Rando
i tessuti molli sono costituiti da materiale sintetico di densità di 0,985 g/cm3 e
numero atomico efficace di 7,3
è realizzato in trentacinque sezioni assiali dello spessore di 2,5 cm; ogni strato è
numerato a partire da 0 fino a 34, procedendo dalla calotta cranica verso il basso
Misurare i valori di dose
all’interno del fantoccio in
corrispondenza delle lesioni
simulate per confrontarli con i
valori di dose calcolati dal TPS
RM
GAF EBT
calibrati in
fantoccio GK
Lesione simulata tra la fetta 3 e la
fetta 4- GAF
Inserimento casco stereotassico
RM
Pianificazione
trattamento:
Dose
massima pianificata: 30 Gy; 17 shot
Collimatori da 8 e 4 mm
Esecuzione trattaamento
15
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Film EBT
Sovrapposizione curve diCURVE
isodose DI
SOVRAPPOSIZIONE
10
ISODOSE
Curve di isodose calcolate dal TPS
10
10
30
10
20
20
10
20
30
30
7070
2 02 0 2
0
30
60
30
5 500
80
70
70
100
100
20
20
140
TPS accurato
nella previsione
50
della
distribuzione di
10
120
30 30
20
20
30
50
50
10
20
70
Y [m m]
40
150
10
-20
30
-10
20
10
160
10
-20
-10
10
10
10
-30
-30
cGy
Differenze tra le
curve < 1 mm 200
30
30
0
70
Matrice EBT
20
20
5500
505070
10
10
EBT
10
10
30
MatriceTPS
di dose del film EBT
20
20
10
0
X [mm]
10
20
20
3040
60
80
100
120
140
160
dose spaziale 2D
Futuri sviluppi
Utilizzo dell’imaging
funzionale
Co-registrazione RM-PET
con 11C-metionina
(sarcoma extra-osseo)
16
Associazione Italiana di Fisica Medica
Centro di Cultura Scientifica “A. Volta”
Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”
(Direttore: M. Stasi)
LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA:
DALLA FISICA ALLA MEDICINA
Roma, 27 Giugno 2013
Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani
Coordinatore Scientifico: M Tavolozza
Grazie per l’attenzione
17