Radioterapia del distretto toracico: Cyberknife

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1 Radioterapia del distretto toracico: Cyberknife C Cavedon U.O. di Fisica Medica Ospedale S. Bortolo ULSS 6 Vicenza AIFM Gruppo Regionale Lombardo IRCCS San Raffaele Milano, 10 Dicembre 2008 IL SISTEMA CYBERKNIFE Linac compatto montato su robot a 6 DOF 800 MU/min Sistema stereotassico guidato da immagini intra-frazione Geometria non-coplanare Operatività non-isocentrica Radiochirurgia intra- ed extracranica Tracking dei movimenti respiratori IL SISTEMA CYBERKNIFE X-ray Sources Linear Accelerator ROBOTIC DELIVERY SYSTEM Accuratezza spaziale complessiva 1.2 mm I.C. 95% (statico e dinamico)* TARGETING SOFTWARE IMAGING SYSTEM Image Detectors Manipulator Accuratezza spaziale in trattamento dinamico funzione della ampiezza e irregolarità del respiro, fino a 3 mm da analisi di dati clinici* 12 collimatori con diametro da 5 a 60 mm alla distanza di trattamento * (risultati stime U.O. Fisica Medica Ospedale San Bortolo Vicenza) 1

2 CYBERKNIFE PER LA REGIONE TORACICA TRACKING DI STRUTTURE OSSEE SPINALI Tracking dei movimenti spinali intra-frazione La vertebra è un corpo rigido ma si muove rispetto alle altre vertebre In molti casi una rototraslazione rigida non è sufficientemente accurata Image A DRR (da CT) Immagine kv al tratt. Campo di deformazione 3 AP displacament (mm) couch shift Image B Time (m) Reference: Intra-fraction motion of immobilized intra-cranial and extra-cranial patients assessed by the CyberKnife image-guidance system,,mischa Hoogeman, Erasmus MC, Daniel den Hoed Cancer Center, Rotterdam TRACKING DI STRUTTURE OSSEE SPINALI esempio di localizzazione paraspinale Registrazione deformabile utilizzata per riposizionare il linac dopo ogni verifica Campo di deformazione approssimato da rototraslazione rigida attorno alla regione di interesse Quantità di deformazione residua misurata e confrontata con una soglia di accettabilità Registrazione multirisoluzione Step

3 tracking spinale accuratezza spaziale in funzione della distanza dal punto di riferimento ±1.0 stabilità rotazionale ±1.0 sul piano assiale variabilità trascurabile sui piani coronale e sagittale Distanza dal centro (mm) Incertezza (mm) i.c. 95% ENTITÀ DEL MOVIMENTO RESPIRATORIO direzione prevalente SUP-INF METODI PER LA GESTIONE DEL MOVIMENTO RESPIRATORIO LIMITAZIONE DEL MOVIMENTO RESPIRATORIO compressione ventilazione incontrollabile o controproducente (es. moto sup inf) MOTION ENCOMPASSING aumento del volume irradiato non vantaggioso per programmi di dose escalation GATING (erogazione solo entro parametri predefiniti) contenimento del volume aumento del tempo di trattamento TRACKING (adattamento al bersaglio in tempo reale) contenimento di volume e tempo di trattamento 3

4 Sistema motion encompassing Esempio motion encompassing : espirio - Bersaglio in max inspirazione ed espirazione - Inviluppo di tutte le posizioni (idealmente: convoluzione di una singola immagine del tumore con la traiettoria osservata) - Piano di trattamento su PTV allargato - Volume PET descrittivo dell inviluppo delle posizioni in N cicli respiratori - Volume grande tempi di trattamento relativamente brevi Esempio motion encompassing : inspirio Volume su singola fase di espirio (gating o tracking) 4

5 Sistemi di gating con segnali surrogati della posizione del bersaglio TRACKING dei movimenti respiratori Rilevazione della posizione del tumore durante il trattamento Costruisce un modello che lega la posizione di marker esterni (in tempo reale) alla posizione di fiducial marker interni (RX a campione) Sincronizza il movimento respiratorio con il moto del robot SISTEMI DI TREATMENT TRACKING - Dynamic Multileaf Collimator (DMLC) - P Keall et al. (Stanford University) Target Tracking: Synchrony Tracking basato su correlazione tra reperi interni (fiducial marker) ed esterni (LED ottici) Campionamento dei marker esterni ogni 3-9 nodi LED rilevati in tempo reale - Riduzione del PTV grazie a irradiazione dinamica - Necessita di tecniche di imaging per la sincronizzazione del moto Filmato visibile su: 5

6 TREATMENT TRACKING : sistema SYNCHRONY TREATMENT TRACKING : sistema SYNCHRONY - Synchrony (Cyberknife) - Correlazione tra moto di reperi esterni (LED) e reperi interni - Modello per il tracking in tempo reale (i moti possono essere non solidali) - Ritardo intrinseco nel sistema di retroazione 200 ms - Necessità di predizione della posizione con Δt=200 ms (115 ms nella versione più recente) Visualizzazione 3D e sezioni assiale, sagittale e coronale di una TC del fantoccio mobile con le linee di isodose del piano di test (21Gy@70%, collimatore 25 mm). Tracking accuratezza e precisione 277 cgy/mm (bersaglio statico) 273 cgy/mm (bersaglio mobile Caso 1: tracking - no sfasamento) Test END-TO-END - risultati Differenza tra baricentro della distribuzione di dose atteso e misurato: 0.6 mm ± 0.6 mm (2σ) => ERRORE < 1.2 mm NEL 95% DEI CASI Caso 2: tratt. statico in presenza di movimento 240 cgy/mm (sfasamento 30 ) 88 cgy/mm (tratt. statico bersaglio mobile) 6

7 TRACKING SENZA AUSILIO DI FIDUCIAL MARKER - Tracking di lesioni polmonari senza fiducial marker - basato su 2D-3D con pattern intensity - modello di correlazione LED immagine del tumore TREATMENT TRACKING : il problema della pianificazione Possibile incertezza sulla dose agli organi a rischio TREATMENT TRACKING : 4D CT - Integrazione tra pianificazione e tracking in 4D - Serie 4DCT oppure N 2 volumi CT rappresentativi almeno di espirio e inspirio normali Sistema motion encompassing Sistema di treatment tracking - Inaccuratezza in inspirio ed espirio forzato - Possibile inaccuratezza in condizione di breath holding rispetto alla condizione dinamica 7

8 PLANNING 4D Fino a 10 volumi in uno studio 4DCT Fase descritta come percentuale sulla ampiezza o sul tempo Respiratory phase parsing automatico per 4DCT Siemens e GE 4D Dose 3D Dose TREATMENT TRACKING : 4D CT - Registrazione deformabile utilizzata per propagare i contorni e calcolare la distribuzione di dose su ogni fase - Distribuzione di dose come media pesata su tutte le fasi 4DCT e 4DPET: quante fasi sono necessarie? 0.3% 1.5% 11 Phases 6 Phases 11 Phases 2 Phases - 4D planning possibile anche con 2 fasi per inspirio ed espirio, a patto di scegliere i giusti fattori di peso 2.0% 23% 11 Phases AVE Phase Courtesy Mihaela Rosu, Virginia Commonwealth Univ. 11 Phases - Exhale 8

9 TREATMENT TRACKING : 4D CT APPLICAZIONE DI REGISTRAZIONE DEFORMABILE: COSTRUZIONE DI UNA SERIE TEMPORALE PET - Calcolo della distribuzione di dose come effetto complessivo - Primo esempio di distribuzione di dose 4D clinica Registrazione di parte CT di CT-PET (blu) su CT in espirio (rosso). È visualizzata anche una rappresentazione vettoriale del campo di deformazione. Applicazione del campo di deformazione al volume PET per ottenere immagine PET in un istante specifico. SISTEMI DI TREATMENT TRACKING SISTEMI DI TREATMENT TRACKING Moto periodico (fantoccio) Grid: 5 mm x 1 sec Prevedibile 200 ms ~ 6 mm (target vicino al diaframma) Moto quasi-periodico (casi reali) Prevedibile entro limiti di accuratezza - Modello di Shirato effetto del ritardo di retroazione (robot lag) Uso di filtri adattativi 9

10 1. fantoccio moto regolare 2. paziente moto regolare con isolate irregolarità 3. paziente respirazione irregolare - Analisi di correlazione tra presenza di basse frequenze ed errore in mm (75 pct) R = (A hf -A bf )/(A hf +A bf ) R [-1,1] 10

11 - Analisi di correlazione tra presenza di basse frequenze ed errore in mm (75 pct) R < 0.5 => rischio di inaccuratezza (LOGIT p=0.03) Confronto vecchio-nuovo sistema di tracking (ritardo 195 ms vs. 115 ms) robot lag = 115 ms robot lag = 195 ms TRAINING DEL PAZIENTE Il sistema di tracking in linea di principio permette di adattarsi a variazioni del moto respiratorio Tuttavia potrebbe essere utile introdurre un training per pazienti che respirano in modo molto irregolare 11