L ELABORAZIONE DEL TREATMENT PLANNING NELLA RADIOTERAPIA CONFORMAZIONALE, NELL IMRT E NELL IGRT

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1 L ELABORAZIONE DEL TREATMENT PLANNING NELLA RADIOTERAPIA CONFORMAZIONALE, NELL IMRT E NELL IGRT Michele Stasi, Barbara Baiotto S.C. Fisica Sanitaria A.O. Ordine Mauriziano & IRCC Candiolo -Torino Workshop SIRR Trieste, giugno 2008

2 Agenda Evoluzione tecnologica: dalla 2D all IGRT Margini, metodi di correzione IGRT Evoluzione nel pianificazione del trattamento radioterapico prostata & H&N

3 Evoluzione nelle tecniche di radioterapia (3D-CRT, IMRT, IMAT) 1. Tecniche conformazionali (Beam s Eye View) con emissione statica (3D-CRT), con copertura di bersagli concavi 2. Tecniche come in 1, con l aggiunta della modulazione all interno del campo, secondo lo spessore del target (SMLC IMRT, DMLC-IMRT), con copertura di bersagli convessi 3. Tecniche come in 2, con l aggiunta dell emissione continua ad arco (IMAT) 4. Tecniche come in 3, ma con MLC binario e fascio a ventaglio con emissione a pendolazione di quasi 360º e avanzamento a passi del lettino (Tomoterapia Seriale)

4 MLC Leaves 0.5 cm Leaves 1 cm

5 MLC Dinamico With this technique, the beam pauses while the MLC moves from one shape to the next. A typical DMLC field requires sec. of beam ON time. (Click the mouse to simulate a DMLC treatment.)

6 IMRT: Metodi per modulare l intensità Tecnica Step and Shoot (Segmental MLC SMLC) Modulazione dinamica (sliding window, Dynamic MLC - DMLC) Terapia ad arco con modulazione d intensità (IMAT) Tomoterapia (MLC binario e fan beam)

7 IMRT INVERSE PLANNING (IP): ottimizzazione delle fluenze (constraints di dose sui DVH, numero di iterazioni, tolleranza, scatter distance) conversione fluenze teoriche fluenze reali (step&shoot, sliding window, IMAT) Leaf Sequencer : trasmissione fluenze a MLC linac

8 Agenda Evoluzione tecnologica: dalla 2D alla IGRT (continua ) Margini, metodi di correzione IGRT Evoluzione nel pianificazione del trattamento radioterapico prostata & H&N

9 ICRU 62: PTV A) Somma lineare PTV = CTV + IM + SM B) PTV più piccolo es: Somma quadratica se tutte le deviazioni standard sono note Situazione più comune

10 Incertezze geometriche in radioterapia: il problema del PTV Approccio statistico 1. errori sistematici 2. errori random 1. errori sistematici: dipendono dalla preparazione del trattamento 2. errori random: dipendono dalla esecuzione del trattamento

11 Variazioni intrafractional (durante una singola frazione) Categoria Variazioni del CTV In dimensione Nella posizione relativa a un pto fisso nel paz. Nella posizione relativa del paz. rispetto ai fasci di trattamento Random Processi fisiologici (circolazione, respirazione, peristalsi) Processi fisiologici (circolazione, respirazione, peristalsi) Movimenti del paziente (immobilizzazione) Sistematiche Processi fisiologici (circolazione) Cambio nella posizione di tratt. (prona-supina)

12 Variazioni interfractional (durante il corso del trattamento) Categoria Variazioni del CTV In dimensione Nella posizione relativa a un pto fisso nel paz. Nella posizione relativa del paz. rispetto ai fasci di trattamento Random Processi fisiologici (riempimento di vescica e retto, meteorismo intestinale) Processi fisiologici (riempimento delle cavità) Setup giornaliero (immobilizzazione) Sistematiche Riduzione o aumento del tumore Perdita di peso Errori tecnici (es. laser )

13 Deviazione campi pianificati vs. erogati Setup Movimento paziente e organ motion Sistemi di immobilizzazione Tecnica di trattamento (3D-CRT, IMRT...) Preparazione dell equipe Metodi on line e off line di verifica e correzione per ridurre gli errori

14 Metodi di verifica e correzione: OFFLINE e ONLINE Off line misure eseguite dopo il trattamento (importante stabilire numero!) l applicazione di un protocollo di correzione riduce il margine CTV-PTV riducendo l errore sistematico e personalizzando il margine ridurre margini Obiettivo: aumentare l efficacia nell erogare la dose possibilità di dose escalation vs. On line misure e correzioni eseguite prima del trattamento corregge interfraction motion, setup quotidiano e organ rigid motion IGRT Adaptive Radiotherapy

15 Studio prospettico per set-up prostata presso IRCC 540 immagini portali analizzate (36 /pz) DPI: nella 1ª settimana tutti i campi, successivamente a 0 e 90 /270 bisettimanale per 8 settimane Acquisizione dell immagine in doppia esposizione prima della seduta (mm) LL (x) AP (y) CC (z) sistematico random Setup Margin Munoz F et al., Atti XII Congresso AIRO, Cagliari 2002

16 IGRT (Image Guided Radiotherapy) Impianto di marker radioopachi + imaging US, kv on-line Movimento body surface + CCD camera kv e MV Cone Beam CT Possibilità di correggere per assicurare che il trattamento venga erogato come da piano di cura

17 IGRT (Image Guided Radiotherapy) Sistemi ad Ultrasuoni Imaging e contornazione CT è diversa da quella ad US Sistemi ottici Fa riferimento ad una superficie esterna rispetto al volume bersaglio Stereo kv Imaging Richiede fiducials per individuare il volume bersaglio

18 IGRT con kv Cone Beam CT (CB-CT) non necessita di fiducials per individuare il target consente un imaging volumetrico 3D registrazione CB-CT dose di superficie circa 5 cgy

19 IGRT con MVCT (MegaVoltage CT) Il fascio di trattamento è utilizzato per l imaging (migliore allineamento) Dose al paziente: circa 5 15 cgy Qualità d immagine

20 TOMOTERAPIA ELICOIDALE (TE) La Tomoterapia Elicoidale (TE) integra in un sistema compatto tutte le esperienze tecnologiche dell evoluzione in corso: tecnica elicoidale di emissione del fascio, IMRT con MLC di tipo binario, IGRT con MV-TC e calcolo della dose con Inverse Planning.

21 Agenda Evoluzione tecnologica: dalla 3D-CRT alla tomoterapia Margini, metodi di correzione IGRT Evoluzione nel pianificazione del trattamento radioterapico prostata & H&N

22 Tecniche d irradiazione Prostata (Convenzionali AP-PA) B 3D-CRT: P R 3c, box, 5c, 6c Step&shoot IMRT

23 AP-PA PA technique 3D images with 95 % isodose surface (white line) Dose totale 54 Gy Gy: controllo 20%

24 box technique 3D images with 90 % isodose surface Dose totale 66 Gy controllo 60%

25 multi-field technique 3D images with 95% isodose surface Vescica 95 % Prostata Retto Dose totale 75.6 Gy > 72 Gy: controllo > 75%

26 3D-CRT 1500 pazienti trattati con tecnica 3D-CRT presso IRCC Candiolo e Ospedale Mauriziano (TO) dal 1998 al 2007 per carcinoma della prostata Prostata TC, slices cm equispaziate, supino Protocollo di preparazione retto/vescica 18 MV e MLC, tecnica MSKCC modificata (6c: , sbilanciati laterali) Dose totale Gy 81 Gy (nostra casistica D 79.2 Gy controllo > 95%)

27 CTV Originale Prostata: problemi (OM + IOM) rectum filling effects

28 Materiali e Metodi 10 pazienti TC in corso di RT (media 1.7 TC/settimana, 11.8 TC/pts) dopo TC-centratura e planning (CT 0 ) (Totale 126 TC) Un singolo osservatore (medico RT) ha disegnato per ogni TC il retto e la parete rettale, CTV e OAR (in CT 0 ) Matching: Per ciascun paziente le scansioni TC eseguite durante RT sono state coregistrate usando come riferimento la CT 0 Punti fiduciali anatomici (riferimenti ossei punti/pts ) (errore medio < 1.3 mm)

29 Rectum filling - Rectum Motion : studio prospettico per movimento retto presso IRCC e impatto sui DVH Rectum Volume (cc) V_CT0 V_CT1 n Mean V_CT 0 = 47.6 ± 10.3 cm 3 Mean V_CT 1 n = 52.8 ± 11.6 cm No Pts Stasi M., Munoz F, Fiorino C. et al. Emptying the rectum before treatment delivery limits the variations of rectal dose-volume parameters during 3D-CRT of prostate cancer. Radiother Oncol, 80 (3), , 2006

30 V % Risultati: Rectum DVH trend paziente n D% DVH rectum The mean DVH is less than reference DVH (CT 0 ) reference mean SD CT1 ref CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7 CT8 CT9 CT10 CT11 CT12 CT13

31 Tomoterapia e gestione del movimento organi: prostata Posizione della prostata individuata con matching automatico su reperi ossei + visualizzazione diretta della prostata su immagini MVCT prima di ogni seduta Deviazione calcolata rispetto a posizione della prostata sul piano di trattamento CT 0 Correzione MVCT fattibile Fiorino C. et al, Evidence of limited motion of the prostate by carefully emptying the rectum as assessed by daily MVCT image guidance with helical Tomotherapy, Int J Radiat Oncol Biol Phys 2008, 71 (2):

32 IMRT : Prostata TPS + IP: Eclipse Linac : Varian Clinac 600 C/D X 6MV MLC-120leaf (5mm) Paziente supino, immobilizzazione gambe Class solution: 5 campi ( ), sliding window Constraints sui DVH nell ottimizzazione: 1. PTV: D min 95%-D max 107%, Dose prescritta a 95% V PTV 2. Retto: V 70 < 25% vol, V 50 < 50% vol 3. Vescica: V 75 < 30% vol 4. Teste femorali: D med < 52 Gy, V 75 < 70% vol Schreibmann E. et al., Med. Phys., 31 (10) 2004

33 Simultaneous Modulated Accelerated RT (SMART) 20 pazienti carcinoma prostatico ad alto rischio trattati con tecnica SMART presso IRCC Candiolo PTV1 pelvi PTV2 loggia prostatica PTV1: 1.8 Gy x fraz PTV2: 2.2 Gy x fraz Dose equivalente Gy Riduzione dose intestino, retto rispetto a 3D-CRT su PTV2 loggia con α/β = 3 Boost 3D-CRT D TOT

34 Retto 3D-CRT Retto IMRT Intestino 3D-CRT Intestino IMRT

35 IMRT: Patient Quality Assurance Verifica di dose pretrattamento per ogni pts Assoluta: microcamera in solid water (3-4%) Relativa: isodosi misurate su film vs. calcolate da TPS (γ function 3mm, 3-4%) Verifica del setup (isocentro) Frequenza: 2 volte settimana (prostata) e giornaliera (H&N) Campi ortogonali 0/90 (DRR vs. EPID 3mm): dose conteggiata nel piano di trattamento! Correzione setup on line ( errore sistematico) D R R Treatment Plan Comp. DRR/EPI QA needs: single patient QA Intensity profiles Test Plan MLC motion plan MU Geometry MU Geometry Dose Comparison

36 Verifica IMRT : MU-Check + 2D-Array rivelatori a stato solido (diodi tipo N) resistenti alla radiazione 2. Spaziatura all interno del campo 10x10 e sulle diagonali 6 mm. Esternamente al campo 10x10 = 10 mm 3. Limiti sul fascio : 7.7 mgy di dose per impulso, massimo rateo di ripetizione degli impulsi (1000 impulsi/secondo). 1.M. Stasi, S.Giordanengo, R. Cirio, et al. D-IMRT verification with a 2D pixel ionization chamber : dosimetric and clinical results in head and neck cancer. Phys Med Biol 50 (2005) MU check : I msure da fluenza TPS a calcolo MU da dati commissioning macchina VERIFICA SU TUTTI I PAZIENTI IMRT!

37 γ Function 3%, 3 mm No shift: 96.6 % pti passati Shift CC 3 mm: 84.9% pti passati

38 Agenda Evoluzione tecnologica: dalla 3D-CRT alla tomoterapia Margini, metodi di correzione IGRT Evoluzione nel pianificazione del trattamento radioterapico prostata & H&N

39 Tecnica convenzionale 2D evoluta campi contrapposti barrage Off cord

40 Tecnica convenzionale 2D evoluta campi contrapposti

41 Organi A Rischio dosi di tolleranza ARTICOLAZIONE TEMPORO-MANDIBOLARE CHIASMA COCLEA ENCEFALO MIDOLLO NERVO OTTICO OCCHIO PAROTIDI TRONCO Dmedia 60Gy; Dmax 70 Gy Dmax 55 Gy Dmax 35 Gy V 60 33%; V 53 66%; V % Dmax 50 Gy Dmax 55 Gy Dmax 50 Gy Dmedia 27 Gy Dmax 55 Gy 3D-CRT e IMRT!

42 90 3D-CRT tecnica a 5 campi + barrage isocentro unico barrage

43 Rinofaringe tecnica a 5 campi-barrage (54 Gy T+N) + boost 3d-CRT su T (fino 70.2 Gy) No elettroni su spinali no esclusione midollo

44 IMRT 7 campi rinofaringe parotide

45 IMRT 7 campi rinofaringe

46 Rinofaringe 3D CRT vs. IMRT: PRV midollo PRV Midollo Dmax 49 Gy 3DCRT vs. 44 Gy IMRT

47 Rinofaringe 3D CRT vs. IMRT: parotide parotide Dmed 65 Gy 3DCRT vs. 47 Gy IMRT

48 IMRT tecnica Simultaneous Modulated Accelerated RT (SMART) 100% 60% a b c 3D-CRT + boost IMRT vs. IMRT+IMRT boost sequenziale vs. IMRT SMART Stessa copertura PTV1 (T+N) e PTV2 (GTV) per tutte le tecniche Maggiore conformazione IMRT-SMART con riduzione dose OAR e aumento omogeneità nel CTV elettivo Dose media ai tessuti-non target inferiore con tecnica IMRT-SMART rispetto a tecniche con boost sequenziale Attenzione a OAR prossimi a CTV boost ( dose /frazione)! Dogan N, 2003

49 IMRT tecnica Simultaneous Modulated Accelerated RT (SMART) 23 pazienti tumori H&N trattati con tecnica SMART presso IRCC Candiolo Es:Orofaringe 5-7 campi, sliding window 68.2 Gy (2.2 Gy/fraz x 31) su T 55.8 Gy (1.8 Gy/fraz x 31) su T+N

50 DVH Parotide controlaterale: Dmed 30 Gy Midollo Dmax 47 Gy PRV Midollo Dmax 50 Gy Dmed PTV T 68.2 Gy Dmed PTV T+N 55 Gy

51 TE - Radioterapia Adaptive La radioterapia Adaptive è l insieme delle seguenti funzionalità: IGRT con riposizionamento giornaliero del paziente Modifica dei contorni al cambiare delle strutture anatomiche Valutazione della Dose basata su un immagine giornaliera MVCT L adattamento della dose di un piano non più corretto

52 Radioterapia Adaptive Week 1 Week 3 Le variazioni anatomiche possono essere compensate sia con una registrazione spaziale che con una correzione di dose

53 GRAZIE DELL ATTENZIONE!