La verifica dosimetrica di trattamenti radianti: metodi, necessità ed efficacia. M. Iori, Reggio Emilia

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1 TORINO Novembre 2013 RELAZIONI A INVITO RELAZIONI LIBERE POSTER RELAZIONI A INVITO La verifica dosimetrica di trattamenti radianti: metodi, necessità ed efficacia. M. Iori, Reggio Emilia Le nuove frontiere: l ottimizzazione radiobiologica è più facile di quel che sembra. M. Schwarz, Trento Le nuove frontiere: gestione del movimento respiratorio nell era dell imaging multimodale in radioterapia. C. Cavedon, Verona Radioterapia e HIFU: alternativa o sinergia? G. Borasi, Reggio Emilia Caratterizzazione dosimetrica e planning di/con fasci di piccola dimensione. P. Francescon, Vicenza Caratterizzazione di apparecchiature per IORT e tecniche di dosimetria in vivo. G. Taccini, Genova Il commissioning di fasci di protoni e ioni carbonio. M. Ciocca, Pavia Utilità del metodo Monte Carlo in radioterapia. E. Spezi, Cardiff (U.K.)

2 TORINO Novembre 2013 RELAZIONI A INVITO RELAZIONI LIBERE POSTER RELAZIONI LIBERE Ripianificazione on Cone-Beam CT: metodologia di calibrazione e prime applicazioni cliniche. C. Carbonini, Milano Modellizzazione LINAC per radioterapia volumetrica ad intensità modulata: criticità, problematiche ed effetti delle griglie di dose. G. Guidi, Modena/Bologna Valutazione dell accuratezza di calcolo della dose per trattamenti IMRT nel distretto toracico: confronto tra pencil beam, convolution/superposition e analytical anisotropic algorithm. C. Sini, Cagliari/Milano Verifica dosimetrica pre-trattamento ed in-vivo dei piani di trattamento eseguiti in tomoterapia elicoidale (HT) mediante sistema di verifica dosimetrico accoppiato ai rivelatori HT. E. Mezzenga, Reggio Emilia Effetti di consumo del target in tomoterapia: uno studio Monte Carlo. A. Esposito, Roma Una rete dedicata alla radioterapia per applicazioni oncologiche. F. Di Rosa, Caltanissetta Implementazione di un modello di trasmissione del lettino di trattamento nel TPS in geometrie con elevato contributo di dose da fasci posteriori o obliqui. I. Solla, Cagliari Effetti dosimetrici degli errori di set up rotazionale sui trattamenti IMRT della prostata. C. Zucchetti, Perugia Validazione di un algoritmo di registrazione di immagini deformabile per la somma di dosi. M. Fusella, Torino Pianificazione IMRT sliding windows per mammella con boost simultaneo integrato (SIB): efficienza ed erogabilità in funzione dello smoothing sulle mappe di fluenza S. Naccarato, Negrar (VR) Boost adattivo simultaneamente integrato nella radiochemioterapia neoadiuvante per il carcinoma rettale: validazione prospettica dei margini al tumore comprendenti l impatto della deformazione. R. Raso, Milano Esperienza dell Azienda Ospedaliero-Universitaria Careggi nelle verifiche dosimetriche su singolo paziente: dalla metrica gamma al DVH. L. Marrazzo, Firenze Dose agli organi a rischio nel distretto dell addome superiore in pazienti trattati con campi estesi con tomoterapia elicoidale: analisi dell istogramma dose-volume e studio di tossicità. S. Bresciani, Candiolo (TO) Valutazione della dose agli organi in radioterapia per sistemi kv Cone Beam CT. F. Palleri, Bologna Effetti del riempimento vescicale sulla dose agli organi a rischio nella brachiterapia HDR endovaginale con pianificazione 3D. M. Piergentili, La Spezia Dosimetria in vivo mediante EPID per 3D-CRT, IMRT e VMAT: aggiornamento del progetto DISO. A. Fidanzio, Roma Metodi per la valutazione della robustezza di piani di trattamento con protoni e scanning attivo del fascio. L. Widesott, Trento/Zurich (CH)

3 TORINO Novembre 2013 RELAZIONI A INVITO RELAZIONI LIBERE POSTER RELAZIONI LIBERE Criticità in radioterapia intraoperatoria con acceleratore mobile: aspetti geometrici e dosimetrici. S. Andreoli, Bergamo Applicazione del report AAPM TG 119 su un fantoccio dosimetrico 3-D per l implementazione di tecniche IMRT e VMAT. L. Trombetta, Milano Confronto fra tecniche per il trattamento adiuvante del carcinoma mammario. R. Cambria, Milano Confronto dosimetrico tra tecniche IMRT e tomoterapia elicoidale per il trattamento della prostata. A. Didona, Perugia Caratterizzazione dosimetrica di un diamante sintetico per la dosimetria di fasci di elettroni in radioterapia. M. D. Falco, Roma Utilizzo di film gafcromici per controlli di qualità per fasci clinici di fotoni e protoni. C. Stancampiano, Catania Integrazione di immagini DICOM nell applicazione Web-Geant4 iort_therapy: un ulteriore passo per supportare la tecnica di Radio-Terapia Intra-Operatoria (IORT). C. Casarino, Cefalù (PA) Dosimetria a risonanza paramagnetica elettronica con alanina per fasci clinici di ioni carbonio e protoni. A. Carlino, Palermo/Catania/Villigen (CH) Apparecchiatura di tipo pencil beam scanning per protonterapia: caratteristiche e prestazioni del fascio di Trento. S. Lorentini, Trento

4 TORINO Novembre 2013 RELAZIONI A INVITO RELAZIONI LIBERE POSTER POSTER Protocollo di controllo del set-up del paziente in uso presso la SOC di Radioterapia Oncologica dell Ospedale di Rovigo su acceleratore lineare Elekta Synergy Agility per trattamenti con frazionamento standard. O. Nibale, Rovigo Impatto dell errore residuo sulla locazione di linfonodi positivi in trattamenti image-guided con tomoterapia per tumori N+ in pazienti testa collo (HNC). M. L. Belli, Milano Radioterapia stereotassica per il tumore al polmone: confronto tra il calcolo della dose basato sugli algoritmi X-ray Voxel Monte Carlo e Pencil Beam. G. R. Borzì, Catania/Viagrande (CT) Controlli di qualità per-paziente di piani IMRT per il trattamento testa-collo utilizzando il nuovo sistema COMPASS. R. Caivano, Rionero In Vulture (PZ) Interconfronto multicentrico sulla caratterizzazione dosimetrica di un collimatore microlamellare per applicazioni in radioterapia stereotassica. M. Casale, Terni Definizione di nuovi criteri di accettabilità per verifiche pre-trattamento di piani IMRT con rivelatori 3D: studio preliminare. M. Bucciolini, Firenze Validazione del software commerciale EPIDose per verifiche dosimetriche pretrattamento di piani IMRT step&shoot con LINAC Synergy BM e EPID iviewgt. M. Bucciolini, Firenze Tecniche IGRT per il posizionamento dei pazienti testa e collo: ExacTrac vs CBCT. S. Clemente, Rionero In Vulture (PZ) Valutazione e confronto di diversi sistemi commerciali per controlli di qualità per IMRT e VMAT, tramite l utilizzo di un EPID (Electronic Portal Imaging Device). S. Cora, Vicenza Controlli di qualità ad impatto clinico per piani RapidArc della prostata: analisi gamma e valutazione dei parametri del DVH. M. Cozzolino, Rionero In Vulture (PZ) I nuovi film adiocromici EBT3 in radioterapia stereotassica: valutazione dell accuratezza dosimetrica. D. Cusumano, Milano Caratterizzazione sperimentale di un sistema IORT per fotoni. C. Cutaia, Candiolo (TO) Implementazione clinica di un metodo di compensazione della dipendenza angolare del dispositivo MapCheck 2 per verifiche di piani di cura IMRT. F. De Monte, Torino Simulazione GEANT4 di una unità per tomoterapia. A. Esposito, Roma Validazione del modulo Monte Carlo implementato nel software LIAC SWL con l uso di pellicole GafChromic EBT2. L. Ferri, Genova Valutazione dell accuratezza del sistema di posizionamento del paziente 6D Vero-ExacTrac per trattamenti IGRT alla prostata. M. Frigerio, San Fermo Della Battaglia (CO)

5 TORINO Novembre 2013 RELAZIONI A INVITO RELAZIONI LIBERE POSTER POSTER Un nuovo acceleratore con testata basculante per trattamenti radioterapici ad alta precisione (MHI-TM2000): caratterizzazione e preparazione all uso clinico. M. Frigerio, San Fermo Della Battaglia (CO) Movimento interfrazione nella radioterapia del tumore del retto con immagini al megavoltaggio: confronto tra posizione prona e supina. R. Raso, Milano Controlli di qualità pre-trattamento nelle tecniche VMAT-RapidArc : confronto tra diversi strumenti di misura. S. Gelosa, Como Studio dei parametri di pianificazione in terapia elicoidale: il caso di una prostata. M. Giacometti, Ancona Possono i sistemi di pianificazione dei trattamenti radioterapici calcolare adeguatamente le dosi superficiali per permetterne una buona correlazione con le reazioni acute della pelle? T. Giandini, Milano Verifiche pre-trattamento in tomoterapia elicoidale mediante ArcCHECK. G. Iacoviello, Palermo Prima esperienza con ArcCHECK e il software 3DVH per la verifica dei piani di trattamento RapidArc. E. Infusino, Roma RapidArcTM: commissioning e verifiche dosimetriche dei piani di trattamento. R. M. La Rosa, Catania Confronto dell efficacia delle schermature di differenti dischi di protezione nella radioterapia intraoperatoria della mammella. M. Liotta, Pavia Irradiazione corporea totale nei pazienti pediatrici: importanza della posizione nella valutazione del trattamento. L esperienza dell OIRM-S.Anna. E. Madon, Torino Controlli di qualità paziente-specifici per trattamenti Cyberknife mediante pellicole radiocromiche. M. Invernizzi, Milano Confronto di due metodi diversi per la verifica dei piani VMAT. G. Montanari, Monza Verifiche pre-trattamento paziente-specifiche per trattamenti RapidArc. C. Mordacchini, Varese Confronto di tre algoritmi di calcolo della dose in regioni ad alta disomogeneità per piani clinici trattati con modalità IMRT a campi fissi. M. Orlandi, Reggio Emilia Prestazioni del rivelatore ArcCHECK in TomoTherapy. S. Pallotta, Firenze Valutazione di un indice di complessità per piani di trattamento IMAT e sua correlazione con le verifiche dosimetriche pretrattamento. F. Parisoli, Pavia/Milano Confronto sperimentale tra protocolli dosimetrici in aria e in acqua per fasci x a media energia. F. Pietrobon, Belluno Risultati dosimetrici preliminari dell errore di set-up in pazienti trattati con tecnica RapidArc per tumore alla prostata. L. Placidi, Roma

6 TORINO Novembre 2013 RELAZIONI A INVITO RELAZIONI LIBERE POSTER POSTER Accuratezza di posizionamento della tomografia computerizzata a fascio conico in combinazione con il lettino robotico protura per la radioterapia guidata da immagini. L. Placidi, Roma Applicazione dell algoritmo a triplo canale nella valutazione dosimetrica per mezzo di pellicole GafChromic EBT3 in radioterapia. A. Poggiu, Sassari Impatto dell accuratezza di posizionamento nell esecuzione della procedura di completamento nel caso di radiochirurgia stereotassica con tomoterapia elicoidale. F. Pupillo, Genova Delivery Quality Assurance (DQA) in tomoterapia: il pitch e il modulation factor influenzano il risultato? M. Quattrocchi, Lucca Impatto dell image-guided sulla qualità del trattamento brachiterapico nel tumore della prostata. V. Ravaglia, Lucca Controlli di qualità utilizzando l Electronic Portal Imaging Device: la nostra esperienza. R. El Gawhary, Roma Uso di un rivelatore planare a diodi (MapCHECK2) per la verifica dei piani di trattamento radioterapici realizzati con tecnologia RapidArc. G. Rinaldin, Milano Confronto tra collimatori Iris e fissi per radiochirurgia stereotassica con CyberKnife nel trattamento di meningiomi petroclivali. L. Rossi, Milano Studio preliminare di caratterizzazione dosimetrica per un small-scale acceleratore di elettroni laser: primi passi verso una possibile alternativa a LINAC medicali a Radio-Frequenza. G. Russo, Cefalù (PA) Verifiche dosimetriche pretrattamento con sistema di misura OCTAVIUS 4D per trattamenti VMAT. S. Russo, Firenze Impatto della frequenza relativa degli errori macchina nell erogazione dei trattamenti IMRT: l esperienza di Cagliari. I. Solla, Cagliari Caratterizzazione di un dosimetro a matrice di diodi 3D per l impiego nelle tecniche VMAT. E. Moretti, Udine Calcolo di fattori correttivi per misure di dose con camere a ionizzazione in fasci senza filtro omogeneizzatore. A. Stravato, Roma Interconfronto tra simulazioni Monte Carlo e misure per la caratterizzazione dosimetrica di fasci di elettroni prodotti da un acceleratore mobile per IORT. P. Tabarelli de Fatis, Pavia Utilizzo di un software commerciale per il QA pre-trattamento e in vivo del paziente. C. Talamonti, Firenze Dose effice e dose agli organi in Cone Beam CT in radioterapia. A. Torresin, Milano Assicurazione di qualità della posizione delle lamelle del MLC mediante EPID e software proprietario. E. Argazzi, Pesaro

7 TORINO Novembre 2013 RELAZIONI A INVITO RELAZIONI LIBERE POSTER POSTER Le variazioni precoci delle ghiandole parotidee (PG) predicono la deformazione finale e la tossicità acuta valutata longitudinalmente per pazienti testa-collo (HNC) trattati con tecnica IMRT. M. L. Belli, Milano Valutazione di parametri dosimetrici in image-guided brachytherapy nel tumore dell endometrio. C. Bianchi, Varese Esperienza iniziale con i sistemi EPIDose e 3DVH per verifiche pretrattamento IMRT su paziente. L. Binotto, Mestre/Venezia Analisi delle curve ROC, sensibilità e specificità dell indice gamma nei controlli di qualità pre-trattamento. S. Bresciani, Candiolo (TO) Effetto dell ipofrazionamento sulla robustezza dei parametri dosimetrici, Vd : valutazione tramite confronto con i valori del NTCP. A. Bufacchi, Roma Interconfronto Monte Carlo per un LINAC. B. Caccia, Roma Tecniche di sottrazione del fondo nella dosimetria mediante GafChromic. N. Cavalli, Catania Effetti dovuti alla scelta dei parametri di ottimizzazione sulla distribuzione finale di dose di un piano VMAT, con il modulo SmartArc del TPS Pinnacle. S. Cora, Vicenza Inclusione di fasci di fibre della trattografia DTI nel planning con Cyberknife. F. Ghielmetti, Milano Frattura pelvica da stress in pazienti radiotrattate per neoplasia ginecologica: analisi degli Istogrammi Dose-Volume e relativa tossicità ossea nel confronto tra tecniche IMRT e 3DCRT. E. Gino, Torino Radioterapia in pazienti portatori di pacemaker o defibrillatori cardiaci: una review fisico-medica e una proposta di protocollo interno. G. Guidi, Modena/Bologna Accumulo di dose e deformazione d organo per IGRT ed Adaptive RT: possibili incompatibilità in radioterapia, ricerca e prospettive per la nuova era. G. Guidi, Modena/Bologna Implementazione della brachiterapia HDR con 192-Ir su immagini della Cone Beam CT di una sala operatoria ibrida. F. Lucio, Cuneo Uso di idrogel come distanziatore per ridurre la dose del retto in radiochirurgia del carcinoma prostatico: aspetti dosimetrici e clinici. S. Luxardo, Carrara Analisi degli errori di setup e relative strategie di correzione per mezzo dell utilizzo di immagini Megavoltage Computed Tomotherapy (MVCT) per differenti siti anatomici. A. Maggio, Candiolo (TO) Conseguenze dosimetriche del posizionamento di pazienti candidati a irradiazione totale del midollo mediante tecnica volumetrica modulata ad arco. P. Mancosu, Rozzano (MI) Siamo pronti a studi clinici multicentrici con tecnica SBRT? Studio multicentrico di pianificazione per il tumore della prostata. C. Marino, Catania

8 TORINO Novembre 2013 RELAZIONI A INVITO RELAZIONI LIBERE POSTER POSTER Uso dello score Standardized Total Average Toxicity nel tumore della prostata: correlazione con i fattori di rischio e identificazione della coorte residua. V. Carillo, Milano Monitoraggio volumetrico e dosimetrico tramite Cone Beam CT di pazienti testa collo trattati con IMRT in quattro fasi del trattamento: un indicazione per la ripianificazione. C. Oliviero, Rionero In Vulture (PZ) La metrologia per radioterapia con campi di radiazione complessi: un progetto EURAMET avviato nel M. Pimpinella, Roma Raccomandazioni per un utilizzo ottimale delle camere a ionizzazione nella dosimetria in radioterapia. M. Pimpinella, Roma Sviluppo di un nuovo campione primario di dose assorbita in acqua per raggi x di media energia utilizzati in radioterapia. M. Pinto, Roma Ottimizzazione del protocollo di registrazione delle immagini TC e RM per il contornamento del GTV nei trattamenti del distretto testa-collo: risultati di uno studio prospettico. L. Pozzi, Varese Validazione esterna di un modello per la predizione di tossicità gastro-intestinale acuta radio-indotta in pazienti con tumore alla prostata. V. Carillo, Milano Validazione di un metodo per il Quality Assurance pretrattamento per Cyberknife. E. Rondi, Milano Valutazione clinica di un sistema ottico per la verifica del posizionamento del paziente nel trattamento radioterapico del carcinoma mammario. S. Russo, Firenze Un nuovo metodo di dosimetria in vivo per migliorare l accuratezza nella dose e nell allineamento del disco protettivo nella IORT della mammella. M. De Denaro, Trieste Studio sull indicatore di qualità per fasci di fotoni per radioterapia con piccole dimensioni del campo. L. Silvi, Roma Stereotassia a singola dose con tecnica VMAT-IGRT per metastasi extracraniche: uno studio in-silico. S. Strolin, Roma Valutazione dell impatto del rilevamento real-time del moto d organo intrafrazione sulla definizione dei margini del target del trattamento radioterapico, per un gruppo di pazienti affetti da carcinoma prostatico, attraverso l utilizzo di un trasmettitore a onde elettromagnetiche impiantato temporaneamente. A. Vai, Bergamo Adaptive Radiotherapy nel distretto testa-collo: valutazioni geometriche e dosimetriche con l utilizzo di un tool di registrazione deformabile. M. Iori, Reggio Emilia Predizione della tossicità urinaria acuta dopo radioterapia per il carcinoma prostatico: primi risultati di un grande studio prospettico (DUE01). V. Carillo, Milano Schedule di trattamento ipofrazionate per pazienti con cancro della cervice ottimizzate utilizzando VMAT e modelli radiobiologici: uno studio in silico. M. Cazzato, Roma

9 TORINO Novembre 2013 RELAZIONI A INVITO RELAZIONI LIBERE POSTER POSTER Implementazione clinica dell Active Breathing Control (ABC) agli Spedali Civili di Brescia al fine di ridurre la dose al cuore nell irradiazione della mammella sinistra. B. Ghedi, Brescia Studio multicentrico di una procedura per la dosimetria in-vivo. F. Greco, Roma Distribuzione della dose a livello dei voxel con un sistema di pianificazione del trattamento di tipo commerciale utilizzando due differenti modalità di pianificazione M. Iori, Reggio Emilia Correlazione tra parametri clinici e dosimetrici su pazienti sottoposti a irradiazione parziale della mammella (PBI) con brachiterapia ad alto rateo di dose (HDR-BRT) in uno studio di fase II. M. Italiani, Terni Analisi dosimetrica del trattamento radiochirurgico di metastasi cerebrali con tomotherapy. F. Pupillo, Genova L ipofrazionamento della prostata: considerazioni radiobiologiche e dosimetriche per confrontare HT ed IMRT. Un analisi preliminare. C. Arrichiello, Aosta Confronto dosimetrico tra trattamenti eseguiti con un acceleratore lineare da 80 lamelle o 160 lamelle. L. Berta, Brescia/Milano Implementazione della tecnica di trattamento HybridArc in radioterapia stereotassica. G. Borzì, Catania, Viagrande (CT) Studio dello stem effect di un nuovo dosimetro miniaturizzato costituito da una fibra ottica di SiO2 attivata al Ce3+ irraggiato con una sorgente di 192Ir per brachiterapia HDR. C. Tenconi, Milano Confronto dosimetrico di piani di trattamento per prostata, IMRT e RapidArc: la nostra esperienza. R. El Gawhary, Roma Interconfronto multicentrico sulla pianificazione dei trattamenti di radioterapia stereotassica delle lesioni epatiche. M. Esposito, Firenze Dosimetria di placche oftalmiche di Rutenio-106 per il trattamento del retinoblastoma. V. Cannatà, Roma Valutazione di un array di camere a ionizzazione liquide per la verifica di piani di trattamento con sistema Cyberknife. M. Guernieri, Milano Radioterapia ad intensità modulata per i tumori cerebrali primari: confronto di piani IMRT non-complanari e complanari. M. Iori, Reggio Emilia Valutazione della dose superficiale in trattamenti Tomoterapia Helical e Direct: studio su fantoccio. M. Iacco, Perugia Confronto tra due tipologie di piani RapidArc differenti per gli angoli del collimatore nel trattamento dei tumori testa-collo. P. Tamborra, Bari Tecnica VMAT e IMRT a confronto ed influenza del MLC sull ottimizzazione del piano. L. Menegotti, Trento

10 TORINO Novembre 2013 RELAZIONI A INVITO RELAZIONI LIBERE POSTER POSTER IORT della mammella: punti critici e soluzioni dell utilizzo della piastra di attenuazione. L. Menegotti, Trento Confronto fra Arcoterapia ad Intensità Modulata con fasci senza filtro flattening e fasci convenzionali per il tumore della prostata. B. Nardiello, Roma Brachiterapia interstiziale multicatetere, con utilizzo di immagini TC, nell irradiazione parziale accelerata della mammella (APBI): l esperienza dell OIRM-S.Anna. V. Richetto, Torino Studio della risposta di quattro camere a ionizzazione impiegate in fasci di elettroni con alta dose per impulso. P. Tabarelli de Fatis, Pavia Rivelatori MOSkin per dosimetria in vivo in tempo reale nei trattamenti di brachiterapia HDR della prostata. C. Tenconi, Milano Misure di output factor di campi piccoli con pellicole radiocromiche sul sistema CyberKnife VSITM. C. Vite, Milano ELImon: un sistema compatto e scalabile per monitorare on-line un fascio pulsato. G. Candiano, Catania Ottimizzazione della forma del lettino di trattamento in protonterapia. A. Carlino, Palermo/Villigen (CH) Dosimetria in vivo multi-mosfet durante il trattamento del tumore alla mammella con radioterapia intraoperatoria. F. Cavagnetto, Genova Il progetto ELIMED in ELI-Beamlines: applicazione medica e multidisciplinare di fasci generati da laser. C. Stancampiano, Catania Diodi a diamante sintetico mono-cristallino (SSCD) in fasci di elettroni complessi: studio dosimetrico comparativo in campi di piccole dimensioni ed in campi ad alta dose per impulso. R. Consorti, Roma Simulazione Monte Carlo dell effetto degli errori di volume e di posizionamento di una Bragg Peak Chamber nelle acquisizioni di un fascio di protoni in modalità pencil beam scanning (PBS). F. Fracchiolla, Trento/Roma Studi di frammentazione dei fasci di carbonio per adroterapia. A. H. Kummali, Torino Caratterizzazione dosimetrica di rivelatori al diamante CVD di nuova generazione con fasci clinici di protoni. R. M. La Rosa, Catania Confronto dosimetrico tra differenti camere a ionizzazione sotto tre diversi fasci di protoni e valutazione degli effetti di ricombinazione. S. Lorentini, Trento Dosimetria neutronica ad attivazione di disprosio. M. Duchini, Como Studio sull uso di un nuovo rivelatore a diamante per dosimetria di riferimento in radioterapia in condizioni di misura non standardizzate. M. Pimpinella, Roma Dosimetria EPR medica a basse dosi. A. Santaniello, Rende (CS)

11 TORINO Novembre 2013 RELAZIONI A INVITO RELAZIONI LIBERE POSTER POSTER Sistema automatico per la caratterizzazione del profilo di dose dei fasci a scansione (protoni e ioni carbonio) del Centro di Adroterapia CNAO. A. Tamborini, Pavia Sfide tecnologiche e ruolo della protonterapia nel trattamento del tumore al fegato: revisione sistematica. L. Widesott, Trento/Zurich (CH) Diodo a diamante sintetico per verifiche dosimetriche in Volumetric Modulated Arc Therapy. M. Zani, Firenze

12 La verifica dosimetrica dei trattamenti radianti: metodi, necessità ed efficacia Mauro Iori Servizio di Fisica Medica, ASMN-IRCCS di Reggio Emilia, Italia Le verifiche dosimetriche dei piani di trattamento radioterapici, spesso indicate come verifiche dosimetriche pre-cliniche, rappresentano ancor oggi, a più di dieci anni dall introduzione clinica dei trattamenti a fascio modulato, un argomento di grande interesse ed oggetto di approfondite discussioni [1, 2, 3]. Se la valutazione preclinica dei piani di trattamento di tipo convenzionale, meglio noti come terapie conformazionali (3DCRT), trova concorde la comunità scientifica nell abbandonare il controllo dosimetrico su fantoccio a fronte dell impiego di software indipendenti certificati per il calcolo delle unità monitor [4], lo stesso non avviene per le tecniche radianti ad intensità modulata (IMRT). Nella 3DCRT, dove i fasci radianti si contraddistinguono per il pattern uniforme delle fluenze, la verifica dosimetrica dei trattamenti si realizza principalmente verificando le unità monitor, cioè i valori di dose associati ad ogni campo di trattamento, utilizzando sistemi di calcolo certificati [5] grazie ai quali è agevole ricalcolare la dose di un dato piano di cui si conoscono il set-up dei fasci ed i relativi parametri dosimetrici. Questi sistemi, che si compongono di algoritmi di calcolo indipendenti e che utilizzano la stessa dosimetria delle unità radianti configurate nei sistemi di pianificazione dei trattamenti (TPS), non solo consentono il controllo di campi aperti e/o sagomati, ma grazie all'elevata qualità degli algoritmi che li compongono, si possono utilizzare anche per i fasci conformati di piccole dimensioni (CyberKnife) o per i fasci modulati di complessità crescente: filtri dinamici (dynamic wedge), IMRT a stativo fisso (slyding-window o step-and-shoot), IMRT di tipo rotazionale (IMAT), volumetrico (VMAT) o tomo terapico (Tomotherapy). Gli stessi sistemi di calcolo [6] si dimostrano inoltre estremamente efficaci anche nella valutazione dei trattamenti di brachiterapia dove, in questo caso, il controllo del piano di trattamento si realizza ricalcolando i tempi di permanenza delle sorgenti radioattive, per ciascuno degli applicatori che compongono il piano. Sebbene questi software consentano di individuare i principali errori associati ad un dato piano di trattamento, errori dovuti generalmente: ad una non corretta configurazione del TPS, ad una erronea modifica dei suoi parametri di configurazione, alla creazione di fluenze (di fascio) estremamente disomogenee e/o gradientate e ad una errata trascrizione/trasmissione dei dati del piano nel sistema di controllo e verifica (R&V), non consentono tuttavia di evidenziare possibili criticità correlate: alla meccanica dell'unità radiante, al corretto funzionamento dei suoi sistemi di erogazione/modulazione della dose o all errato set-up del paziente. Molto si è discusso e si discute in letteratura su quale sia il criterio e/o la modalità di verifica dosimetrica più corretta (sensibile ed efficace) per controllare e validare i piani di trattamento, impedendo che possano manifestarsi erogazioni scorrette di una singola terapia o eventi anche più catastrofici (errori sull intero ciclo di uno o più trattamenti). Ci si interroga sulla qualità degli strumenti dosimetrici di cui si dispone e della sensibilità dei test comunemente applicati nell'evidenziare incongruenze o criticità esistenti nell'esecuzione di un dato trattamento. Molti studi hanno evidenziato la scarsa efficacia delle metodiche di verifica attualmente in uso, sottolineando sia le limitazioni presenti nei più diffusi sistemi di rivelazione [4, 7, 8, 9]: forte diversità nel set-up costruttivo e nella tipologia di segnale fornito, dipendenza angolare nella risposta, limitata risoluzione spaziale, complessità nelle procedure di calibrazione, ecc.., sia nella limitata sensibilità [7, 10, 11, 12] dei metodi di analisi correntemente applicati: variabilità nella valutazione della risposta col cambio dei parametri di analisi selezionati, difficoltà nel correlare le differenze dosimetriche riscontrate al reale impatto clinico/dosimetrico sul trattamento del paziente, ecc... In merito a questo tipo di problemi, la letteratura scientifica propone diverse modalità di verifica [1, 2, 3], per ciascuna delle quali sono presenti punti di forza ed elementi di criticità. Parimenti i vari centri che attivano trattamenti con fasci modulati seguono modalità di verifica che rappresentano a volte il miglior compromesso tra quanto riportato in letteratura e quanto appartiene all esperienza dosimetrica e di QA di ogni centro.

13 Un primo metodo di verifica presente in letteratura si basa sulla conoscenza approfondita del proprio TPS, richiedendo che sia dedicata molta attenzione al commissioning dei suoi algoritmi di calcolo, fase che deve essere poi seguita da un percorso di assicurazione di qualità (QA) orientato alla verifica del TPS (ottimizzazione, sequencing e dosimetria su fantoccio) simulando condizioni complesse, critiche o 'estreme' nel processo di pianificazione. Questo metodo, che può essere realizzando seguendo quanto proposto al riguardo nella letteratura scientifica, accresce la conoscenza del comportamento del sistema IMRT nel suo complesso e consente di stimare, dopo aver verificato su fantoccio l'accordo dosimetrico tra il dato di pianificazione e quello di misura, le potenziali aree di criticità di ogni singolo TPS in relazione alle tipologie di pianificazione applicate. Tale processo dovrebbe consentire quindi la creazione di un proprio livello di attenzione, oltre che la conoscenza e la stima del livello di sicurezza dei propri sistemi dosimetrici e di pianificazione. Durante le fasi di pianificazione dei trattamenti su paziente, dovrebbe pertanto rivelarsi più semplice conoscere quali piani potrebbero rivelarsi potenzialmente più critici in fase di erogazione e necessitare, dopo una prima verifica con un sistema di calcolo certificato, un monitoraggio dosimetrico pre-clinico. A completamento di questo processo, diventa fondamentale seguire un stringente protocollo di QA sull unità radiante che tenga alta l attenzione sull'accuratezza e la qualità complessiva delle componenti meccaniche, dosimetriche, di conformazione/modulazione dell unità radiante. Alcuni lavori ritengono [1, 2] che un tale percorso di verifica sia sufficiente per garantire la qualità complessiva dei trattamenti e non accettano l'idea che solo una valutazione dosimetrica diretta del piano di trattamento rappresenti l'unico modo certo per garantire l efficacia e la sicurezza di un trattamento IMRT. Un secondo metodo di verifica, forse il più seguito, ritiene necessario verificare ogni singolo piano di trattamento a fasci modulati con misure dosimetriche specifiche realizzate prima dell erogazione della terapia (verifiche pre-cliniche). Seppure questo metodo non assicura che un buon accordo dosimetrico verificatosi in fase di inizio terapia si mantenga per l intero ciclo dei trattamenti, solo un sistema di monitoraggio dosimetrico posto direttamente sull unità radiante potrebbe confermarlo, è comunemente accettato che nella fase pre-clinica di QA del piano di trattamento possano essere identificati e corretti (nuova ottimizzazione del piano di trattamento con fluenze meno modulate, ecc..) gli errori dosimetrici più significativi. Benché l'esecuzione di verifiche QA pazientespecifiche non abbiano evitato che alcuni centri coinvolti nel test di accreditamento per l IMRT dell RTOG [13] non superassero il test, una maggiore cura nelle fasi di commissioning del TPS e di pianificazione dei trattamenti ha portato ad un miglioramento del livello di valutazione raggiunto nella prima fase di esecuzione dei test. Inoltre, la conoscenza dei risultati raggiunti dai migliori centri analizzati ha fornito un livello di riferimento a cui tendere e dei dati quantitativi con cui confrontarsi e poter valutare il proprio livello di accuratezza dosimetrica. L uso generale della verifica dosimetrica pre-clinica per tutti i trattamenti IMRT pianificati, verifica basata sul controllo della dose erogata su di un fantoccio omogeneo in cui è inserito un sistema di rivelazione planare, spesso utilizzando un set-up a stativo fisso (AP) dei campi di irraggiamento, lascia comunque alcuni dubbi sul grado di validità di un tale controllo soprattutto per quei piani che si contraddistinguono per le fluenze estremamente gradientate, spesso erogate su distretti anatomici molto disomogenei o con configurazioni complesse di target ed organi critici o dove i campi modulati sono inseriti all'interno di sequenze di gating o di tracking. Seppure la comunità scientifica sia concorde nel ritenere che le verifiche dosimetriche paziente-specifico siano affette da una serie di limitazioni e criticità, non per questo devono essere trascurate in quanto costituiscono ancor oggi lo strumento più efficace di cui si dispone per poter evitare gravi errori dosimetrici [14]. Un terzo metodo che viene applicato e che deriva dalla combinazione dei due precedenti, utilizza software dedicati per verificare lo scarto tra le fluenze e le dosi puntuali di un dato piano IMRT calcolate rispettivamente dal TPS e dal software indipendente certificato. Qualora le verifiche effettuate evidenzino una discrepanza superiore ai livelli di confidenza prefissati, spesso frutto dell esperienza dei singoli centri, viene attivata la verifica dosimetrica pre-clinica di alcuni fasci, spesso i più discordanti, o dell intero piano di trattamento. Alcuni lavori di letteratura sembrano confermare l esistenza di una corrispondenza tra quanto segnalato dalle verifiche dosimetriche virtuali effettuate con i software dedicati, spesso basati su metodi Monte Carlo, e quanto ottenuto con le verifiche dosimetriche. Anche con questo metodo di verifica dei piani di trattamento è fondamentale inserire specifici test di

14 QA per il controllo del corretto funzionamento dell unità radiante e dei suoi dispositivi di conformazione/modulazione della dose. Dopo aver effettuato un significativo periodo di verifiche pre-cliniche di trattamenti IMRT, per la cui verifica è opportuno utilizzare sistemi di rivelazione puntuali e bidimensionali accurati e con un elevata risoluzione spaziale [4], oltre ad aver pianificato un'ampia casistica di trattamenti, la scelta dei piani di cura da dosimetrare, la frequenza dei test di QA da come pure la frequenza scelta per la loro esecuzione sono il frutto dell'esperienza e della sensibilità del centro. Il controllo di processo statistico (CPS) [15, 16], utilizzato comunemente in campo industriale per mantenere sotto controllo la qualità di un processo, è stato applicato al QA dosimetrico dei piani di trattamento utilizzando le carte di controllo (confronto delle caratteristiche di un processo in relazione alle sue caratteristiche storiche) per verificare che il processo dosimetrico è sotto controllo (cosa che avviene quando le caratteristiche del processo sono prevedibili in senso statistico). Un tale metodo è stato utilizzato, applicandolo ai criteri di validità dosimetrica utilizzati come la % di punti con un indice γ 1 [4], per verificare il livello di prestazione di un dato controllo dosimetrico, cioè la sua appartenenza ad una data classe di accordo (cioè con un certo score in termini di γ 1). Grazie al controllo di processo statistico diventa possibile creare i propri livelli di confidenza dosimetrica (creazione di classi) ed individuare le criticità di un dato piano di trattamento qualora non rientri in una data classe di controllo. Certo è che l indicatore dosimetrico monitorato deve essere sufficientemente sensibile per individuare la presenza di una criticità. Il CPS [15, 17] dovrebbe fornire uno strumento per migliorare il monitoraggio dosimetrico dei vari centri e consentir loro di individuare, grazie al patrimonio dei loro dati storici, i limiti di accettabilità dosimetrica (livelli di azione [18]) più efficaci e statisticamente più sicuri. Un tale metodo può essere utilizzato anche per monitorare la qualità delle verifiche dosimetriche (confronto tra il calcolato) effettuate con i software certificati o per valutare le variazione dei parametri di trattamento registrati all interno dei log-file [19, 20] in fase di terapia. Recentemente sono apparsi sul mercato nuovi sistemi di acquisizione e di rielaborazione della dose misurata [7] che, servendosi del dato dosimetrico pre-clinico su fantoccio e di quello simulato in fase di pianificazione, utilizzano le differenze dosimetriche misurate per correggere la distribuzione di dose del piano di trattamento simulato sul paziente. Questa correzione della dose simula sul piano del paziente gli effetti dovuti alla reale erogazione del trattamento (misurati sul fantoccio) e consente di visualizzare/confrontare sulle immagini (e sui contorni in esse definiti) del paziente le distribuzioni di dose pianificata e misurata. Tale confronto può essere visualizzato in termini di differenze di dose o di istogrammi dose volume (DVH). Questi sistemi, spesso costituiti da veri e propri TPS indipendenti, non solo permettono un confronto pianificato/erogato in termini di % di indice γ, ma soprattutto consentono di stimare in 3D la dose erogata al paziente e di valutarne clinicamente la correttezza dosimetrica [21]. Seppure questi strumenti consentano di ottener un significativo miglioramento rispetto ai precedenti sistemi dosimetrici poiché forniscono una dosimetria 3D [7, 22] del piano di trattamento erogato sul paziente, permane la necessità della misurazione pre-terapia. A questo si aggiunge l importanza di far seguire ad una prima valutazione clinica del piano di trattamento effettuata sulla base della dose simulata, una seconda valutazione clinica incentrata sulla dose erogata. Una simile verifica dosimetrica, compiuta in questo caso durante l erogazione della terapia, può essere effettuata servendosi di sistemi di acquisizione e software dedicati [23] per la dosimetria in-vivo [22]. Tali sistemi che utilizzano il segnale di transito misurato dai rivelatori planari (EPID o MV detector) ed i dati di imaging acquisiti con la CB-CT o la MV-CT, consentono di ricostruire in 3D la dose effettivamente erogata al paziente. Se tali sistemi sono idonei per verificare la dosimetria dei trattamenti erogati su distretti anatomici pressoché omogenei, poco affetti da errori di set-up o da variazioni anatomiche intra-frazione, la loro applicazione su distretti anatomici disomogenei (polmoni, ecc..) non risulta ancora pienamente soddisfacente per la presenza di algoritmi di calcolo non sufficientemente evoluti. Tutti i dispositivi fin qui descritti permettono, in generale, una verifica dosimetrica off-line del trattamento. Altri sistemi invece [24], seppure non consentano una dosimetria in 3D del piano, grazie a dosimetrici planari installati sulla bocca di uscita del fascio ed al dettaglio delle informazioni sulle

15 varie fasi della modulazione, sono in grado di controllare in tempo reale e dosimetricamente la precisione e l accuratezza del trattamento in modo integrato con il sistema di R&V. Se il sistema di R&V e le verifiche dosimetriche citate in precedenza consentono di individuare ed evitare imprecisioni o errori durante l erogazione, esistono altri eventi che possono inficiare la qualità complessiva di una terapia: trattare un paziente sbagliato, centrare una sede anatomica errata, utilizzare un sistema di immobilizzazione improprio o non correttamente posizionato, ecc... Per questi tipi di errori sono disponibili sistemi identificativi basati su codici a barre e/o foto di riconoscimento (del paziente, dell area di set-up del trattamento, dell accessorio e/o del sistema di immobilizzazione usato) gestiti all interno dei sistemi di R&V. Di recente le ditte hanno introdotto nuovi sistemi di controllo che si servono del monitoraggio ottico, dell uso di transponder o di visori di sala forniti di codici colore o di altri dispositivi di simulazione/controllo finalizzati al supporto degli operatori nell eseguire correttamente le procedure di set-up e nel monitorare l unità radiante durante l effettuazione di terapie complesse (terapie con movimentazione dell unità, dei suoi dispositivi o del paziente). Bibliografia: [1] R.A. Siochi, A Molineu, CG Orton, Point/Counterpoint. Patient-specific QA for IMRT should be performed using software rather than hardware methods, Med. Phys. (2013), 40, [2] J.C. Smith, S Dieterich, CG Orton, Point/counterpoint. It is still necessary to validate each individual IMRT treatment plan with dosimetric measurements before delivery, Med. Phys. (2011), 38, [3] Markus Alber, ESTRO Booklet n. 9: Guidelines for the verification of IMRT (2008). [4] Low DA, Moran JM, Dempsey JF, Dong L, Oldham M, Dosimetry tools and techniques for IMRT, Med. Phys. (2011), 38, [5] E.E. Wilcox, G.M. Daskalov, G. Pavlonnis, R. Shumway, B. Kaplan, E. VanRooy, Dosimetric verification of intensity modulated radiation therapy of 172 patients treated for various disease sites: comparison of EBT film dosimetry, ion chamber measurements, and independent MU calculations, Med. Dosim. (2008), 33, [6] Y. Takahashi, M. Koizumi, I. Sumida, F. Isohashi, T. Ogata, Y. Akino, Y. Yoshioka, S. Maruoka, S. Inoue, K. Konishi, K. Ogawa, The usefulness of an independent patient-specific treatment planning verification method using a benchmark plan in high-dose-rate intracavitary brachytherapy for carcinoma of the uterine cervix, J. Radiat. Res. (2012), 53, [7] M. Stasi, S. Bresciani, A. Miranti, A. Maggio, V. Sapino, P. Gabriele, Pretreatment patient-specific IMRT quality assurance: a correlation study between gamma index and patient clinical dose volume histogram, Med. Phys. (2012) 39, [8] L. Masi, F. Casamassima, R. Doro, P. Francescon, Quality assurance of volumetric modulated arc therapy: evaluation and comparison of different dosimetric systems, Med. Phys. (2011), 38, [9] V. Feygelman, G. Zhang, C. Stevens, B.E. Nelms, Evaluation of a new VMAT QA device, or the "X" and "O" array geometries, J. Appl. Clin. Med. Phys. (2011), 31, [10] B.E. Nelms, H. Zhen, W.A. Tomé, Per-beam planar IMRT QA passing rates do not predict clinically relevant patient dose errors, Med Phys. (2011), 38, [11] J.J. Kruse, On the insensitivity of single field planar dosimetry to IMRT inaccuracies, Med, Phys. (2010), 37, [12] G. Budgell, Comment on "On the insensitivity of single field planar dosimetry to IMRT inaccuracies", Med Phys. (2010) 37, [13] G.A. Ezzell, J.W. Burmeister, N. Dogan, T.J. LoSasso, J.G. Mechalakos, D. Mihailidis, A. Molineu, J.R. Palta, C.R. Ramsey, B.J. Salter, J. Shi, P. Xia, N.J. Yue, Y. Xiao, IMRT commissioning: multiple institution planning and dosimetry comparisons, a report from AAPM Task Group 119, Med. Phys. (2009), 36, [14] P. Ortiz López, J.M. Cosset, P. Dunscombe, O Holmberg, J.C. Rosenwald, L. Pinillos Ashton, J.J. Vilaragut Llanes, S. Vatnitsky, ICRP publication 112. A report of preventing accidental exposures from new external beam radiation therapy technologies, Ann ICRP , 1-86.

16 [15] S.L. Breen, D.J. Moseley, B. Zhang, M.B. Sharpe, Statistical process control for IMRT dosimetric verification, Med. Phys, (2008), 35, [16] T. Pawlicki, S. Yoo, L.E. Court, S.K. McMillan, R.K. Rice, J.D. Russell, J.M. Pacyniak, M.K. Woo, P.S. Basran, J. Shoales, A.L. Boyer, Moving from IMRT QA measurements toward independent computer calculations using control charts, Radiother. Oncol. (2008), 89, [17] K. Gérard, J.P. Grandhaye, V. Marchesi, H. Kafrouni, F. Husson, P. Aletti, A comprehensive analysis of the IMRT dose delivery process using statistical process control (SPC), Med. Phys. (2009), 36, [18] G.M. Mancuso, J.D. Fontenot, J.P. Gibbons, B.C. Parker, Comparison of action levels for patient-specific quality assurance of intensity modulated radiation therapy and volumetric modulated arc therapy treatments, Med. Phys, 2012 Jul;39(7): [19] D.W. Litzenberg, J.M. Moran, B.A. Fraass, Verification of dynamic and segmental IMRT delivery by dynamic log file analysis, J. Appl. Clin. Med. Phys. (2002), 3, [20] C.E. Agnew, R.B. King, A.R. Hounsell, C.K. McGarry, Implementation of phantom-less IMRT delivery verification using Varian DynaLog files and R/V output, Phys. Med. Biol. (2012), 7, 57, [21] H. Zhen, B.E. Nelms, W.A. Tome, Moving from gamma passing rates to patient DVH-based QA metrics in pretreatment dose QA, Med. Phys. (2011), 38, [22] B. Mijnheer, S. Beddar, J. Izewska, C. Reft, In vivo dosimetry in external beam radiotherapy, Med Phys. (2013), 40, [23] W.D. Renner, 3D dose reconstruction to insure correct external beam treatment of patients, Med. Dosim. (2007), 32, [24] M.K. Islam, B.D. Norrlinger, J.R. Smale, R.K. Heaton, D. Galbraith, et al., An integral quality monitoring system for real-time verification of intensity modulated radiation therapy, Med. Phys. (2009), 36,

17 Biological plan optimization: it s not as difficult as it may seem. Marco Schwarz Agenzia Provinciale per la Protonterapia (ATreP) e Azienda Provinciale per i Servizi Sanitari, Trento. Introduction The idea of using radiobiological parameters in radiotherapy treatment planning is not new, as one can find already in the early '90s proposals for what we would now call biological optimisation (e.g. [18, 10]). The radiotherapy techniques available at that time, however, were not exible enough to significantly benfit from sophisticated metrics to judge the dose distributions or, even less, from automatic planning optimization techniques. Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT) was a significant change in this respect,making it possible to plan and deliver dose distributions using much more degrees of freedom than those available in 3D-CRT. In most cases the implementation of IMRT in clinical practice is associated with a number of issues that have little to do with radiobiological models, such as new commissioning work on the TPS, finer dosimetrical and mechanical checks of the MLC and the design of patient-specific dosimetric verfication. Only after most of the technical problems are solved, and IMRT is part of the clinical routine, people start asking themselves questions such as: "Now that I have IMRT, how am I going to fully benefit from it?". Then, a more worrying version of the dilemma might arise: "In IMRT treatment planning, we mostly get what we ask. Are we really sure about what to ask?". In other words, it takes some time to appreciate the importance of an appropriate and explicit definition of the treatment goals, which should be then translated into a cost (or objective) function. Before getting into the details about the use of parameters such as the Equivalent Uniform Dose (EUD), Tumor Control Probability (TCP) and Normal Tissue Complication Probability (NTCP) in treatment planning, we will shortly discuss three statements that are often brought up in the discussions on the use of radiobiological parameters in plan optimisation. In our opinion, these statements do more harm than good to the discussion, and can be summarized as follows: "We are not ready for 'biological' optimisation yet. Let's stick to 'physical' optimisation, which is safer." This statement implicitely assumes that it is possible to make a binary distinction between radiobiological and physical optimisation. Furthermore, such an argument often boils down to the idea that physical optimisation means using Dose Volume Histogram(DVH) points in the cost function, while if different parameters are used, such as the EUD, one steps into the world of radiobiological optimisation. I think that this issue should be looked at in a different way: as a matter of fact, any optimisation is "biological", i.e. it has an (either implicit or explicit) underlying dose{effect model driving the requirements on the dose distribution. For example, setting a DVH point objective to ensure that no more than a given rectal wall volume receives a given dose is a way to incorporate in the cost function data on dose-volume thresholds for serious late e_ect. This is per se neither more nor less "biological" than setting an EUD objective. It is true that in the past most analysis of clinical data were looking for relations between toxicity and DVH points, without providing fit for NTCP models. However, dose effect studies with NTCP fits are now available for several organs at risk, based on hundreds or even thousands of patients (see for instance [16] for data on pulmonary toxicity, [17] for the rectum and [5] for the parotid glands). The real issue, therefore, is not whether a "physical" or a "biological" parameter is used in the optimisation, but rather how good or bad a specific parameter is at a)describing the dose-effect relation for the volume of interest and b)being an efficient tool to steer the optimisation towards the desired results. "IMRT optimisation can not be based on radiobiological parameters obtained in the 3D-CRT era." It is unquestionable that biological model parameters should be used while being aware of the specific conditions in which they were obtained. However, this approach can lead to a circular argument: we can not use biological parameters to obtain IMRT dose distributions because they were derived with CRT, thus we keep using IMRT to

18 deliver CRT-like dose distributions and therefore we will never be able to collect biological model parameters specific of IMRT treatments. We should remember that models are built also to allow some extrapolation of present data, and that, by de_nition, the knowledge on dose response relations always predates the latest technique available. So, if we really want to try something new, there is no other way than a sensible use of the existing knowledge. "Radiobiological parameters are bad for plan optimisation but good for plan evaluation." Many centers find it difficult to start with EUD and NTCP-based optimisation, in particular when it comes to decide the parameter values. They may therefore decide to have a gradual transition, with an initial period where dose distributions are analyzed with biological models that are then going to be used in the optimisation. This approach seems very sensible but seems to forget two important facts: It's quite simple to calculate what EUD (or NTCP, or TCP) values are 'normal' for a specific radiotherapy clinic. You have been treating hundreds if not thousands of patients. For each of them you have the planning DVHs, which is the only thing needed (beside the number of fractions) to calculate most radiobiological quantities of interest. A few days of work are sufficient to re-evaluate past treatments and provide a baseline for radiobiological optimization. In general, separating what is good for the optimisation from what is good for plan evaluation is the consequence of a misunderstanding about the role of the cost function, which is often considered as a series of "tricks" to steer the optimisation towards an acceptable dose distribution, rather than as the mathematical expression of the doseresponse relation for the volumes of interest involved in the optimization problem. Using different parameters for these two steps of treatment planning makes it difficult to produce meaningful comparisons between competing plans. EUD and TCP-based cost functions for the target volume. Historically, the first quantity that turned out to be useful for dose optimization in the target volume was the Equivalent Uniform Dose (EUD) by A. Niemerko [19]. The concept of EUD is quite simple, i.e. it is the idea that for any heterogeneous dose distribution there is an homogenenous dose distribution giving the same biological e_ect. The problem, of course, is how we can define a 'conversion rule' from heterogeneous to homogeneous doses. Using EUD instead of TCP in treatment plan optimization has two practical advantages: 1. TCP optimisation assumes that target dose is a variable of a single plan. This is an interesting and sensible approach. However, in current clinical practice the prescribed dose is defined a priori for every patient, and variations are in principle allowed only in specific cases (e.g. whithin a clinical trial). 2. TCP optimization requires that the steepness of the dose-effect relation is well known, which is not trivial to derive from clinical data. So, even if we actually consider the target dose an optimisation variable, it may be more 'robust' to optimize based on EUD, which is still a dose as opposed to a probability of control. Last but not least, by optimizing EUD one is optimizing TCP, as there is a monotonic relation between the two quantities. Even then, while there has been some quite some interest in the recent years for EUD-based optimisation for the OARs, the clinical implementation of EUD/TCP optimisation for the target volumes progresses very slowly, if it does progresses at all, mostly in a few research-oriented departments (see e.g. [1, 27]. The reasons for such difference are at least two, strictly related one another:

19 1. The incentive to use EUD or TCP in the optimisation is not evident as long as IMRT is applied with the same dose prescription as CRT and with the same planning goals, i.e. getting homogeneous dose in the PTV and good dose conformity. As long as an homogeneous dose is prescribed in the PTV, two DVH points, constraining the minimum and the maximum dose, will usually lead to the desired dose distribution. The whole point of using EUD or TCP is to be able to judge/compare heterogenenous dose distributions in the PTV, which clinicians mostly tend to avoid. IMRT can achieve dose homogeneity in the target volume better and/or more easily than CRT, but it will not make a big difference whether DVH points or EUD objectives are used in the cost function. 2. The only EUD model implemented in a few commercial TPS is Niemierko's generalized EUD (see next section for more detail). In principle, this model can also be used to optimise the dose in the target volume by setting the volume parameter to a negative value, and a value of a between 10 and 20 has been suggested as appropriate for the target volume [29]. However, this is really nothing else than tweaking a parameter model until it produces dose distributions we are used to. At the moment, there aren't publications fitting the tumor control rate with the generalized EUD, and probably with a goodreason. In fact, although the radiobiological models are phenomenologicaland/or make some assumptions (i.e. simplifications) to treat the problem with a realistic approach and using available clinical data,still there are models that are more sound that other. When it comes to dose-effect relation for tumors, models based on Poisson statistics, i.e. assuming independent behaviour of tumor cells, are largely preferred to models using a volume parameter implemented as in the generalized EUD. As a consequence, EUD or TCP-based optimisationis more likely to enter the clinical practice when models such as the original EUD formulation[19] or the Webb-Nahum model[26] will be implemented in commercial TPS. Even then, a problem will remain, i.e. the current scarcity of analysis of clinical data producing fits for the model parameters. geud and NTCP-based cost functions for the organs at risk. Because of the limitations of DVH-based cost functions, in the last years there has been a growing interest in assessing the potential of new tools, with a particular interest in the so called 'generalized Equivalent Uniform Dose (geud)'[20], which is a way to "summarize" the whole dose distribution in a volume of interest into a single figure. This definition of EUD is identical to the effective uniform dose proposed by Mohan et al. [18] and can be derived from the DVH reduction scheme of the Lyman-Kutcher-Burman NTCP model 1. The geud has been effectively used as a method to control the irradiation of the organs at risk (OARs). (see e.g. [29, 28, 24]). What makes EUD particularly interesting is the presence of the volume dependence parameter (1/a in Niemierko's formulation, n in the LKB formalism)) that can be easily and effectively used to control the dose in a Volume of Interest (VOI), thus allowing to tune the balance between small volumes receiving high doses vs. large volume receiving low doses. Furthermore, the consistency between EUD de_nition and LKB formalism makes it possible to define EUD-based objectives where the volume parameter is not just a number that turns out to work, but rather the result of a dose-response relation available in the literature and calculated on a large number of patients. The EUD has useful features when used in optimising IMRT plans. First, it is an effcient optimisation tool. By expressing dose optimization objectives for OARs in terms of EUD, one can rapidly generate and evaluate a variety of dose distributions that would be much more cumbersome to produce with DVH-based optimisation Furthermore by combining the EUD as a parameter and a sigmoidal function a modifiers, it is possible to obtain a significant sparing of the OARs with respect to an optimisation based on DVH points and quadratic cost functions[29]. Of course, the EUD can also be used as a pure optimisation tool, using the parameter values that best 'steer' the optimisation in the desired direction. For instance, one can decide to optimize IMRT plans for prostate treatment in the clinical practice using two EUD objectives for the rectal wall, setting e.g n = 0:06 for the first objective and n = 1 for the second. The first

20 value of n has been proposed by Rancati et al.[22] as a good predictor of serious side effects (Grade _ 3). The EUD objective with n = 1, however, is not the result of a radiobiological study, but rather a useful way to control the rectum wall irradiation over the whole dose range. This approach, by the way, leads to treatment plans that usually comply with commonly used DVH thresholds even if these thresholds are not part of the cost function. In addition to that, it allows reducing the rectal wall irradiation for doses below 65 Gy, which could not be achieved using the aforementioned DVH points. This is just an example of how EUD can be used with or without an explicit 'biological' meaning, and how these two approaches can coexist even within the same cost function. Current and future developments Functional imaging & biological optimisation. When biological optimisation is discussed, the attention usually focuses on the use of biological models in the cost function. There is, however, another aspect to be considered, i.e. the inclusion of patient-specific biological (functional) data in the optimization problem. A thorough discussion of the issues involved in the integrations of functional imaging in the optimization loop is beyond the scope of this text. Here it is sufficient to say that the inclusion of functional information is the natural evolution of dose optimization based on biological measures, where patient-specific information are taken into account, not only from the anatomical point of view (as in the CT), but also from the functional aspects of the tumor and/or the healthy tissues. It is still very diffcult to reliably map the heterogeneous tumor activity. However, the field of functional imaging is in rapid development, in particular when it comes to Proton Emission Tomography (PET). The increasing availability of functional images thus spurred the interest for the so-called 'dose painting by number', an expression coined by S. Bentzen ([3] to indicate the possibility of 'painting' the dose in the target, voxel by voxel, following the functional patterns obtained via imaging. The path towards dose painting by number is far from easy, because obtaining reliable quantitative information via PET imaging is still largely an unsolved problem. Still, at least from the optimization problem, dose painting is the logical extension of TCP (or EUD) optimisation. Alber and colleagues ([2]), for instance, proposed to associate to each voxel a 'dose efficiency' value e. In theory, one could think of using a functional map to determine e, but the most realistic approach at the moment consist in using the intensity map only to determine an overdosage with respect to a prescribed dose. As a consequence, prescribed dose Dp and maximum dose Dmax are defined a priori, and efficiency will be calculated asv oxels with an intensity less than the average will have effciency equal to 1 and will not be overdosed. The remaing voxels, with higher signal and therefore higher tumor activity, will have an efficiency lower than 1, so the optimization will have an incentive in boosting the dose there in order to reach the desired TCP value. Setting Dmax a priori will ensure that no region will be irradiated at arbitrarily high doses. Biological optimisation in hadrontherapy Hadrontherapy, in particular when delivered with protons, is gaining significant interest these days. This technique has mostly been applied to quite rare tumors, where little data was available from photon therapy in terms of quantitative dose{response relations. It is likely that in the near future protontherapy will be applied, or at least tested, on the whole range of tumors treated in radiotherapy, thus raising questions about the applicability to protons of the dose{response data obtained in photon therapy, in particular those for organs showing a large volume e_ect. For example, if we consider lung irradiation, proton therapy can dramatically reduce the volume receiving low doses with respect to the conventional treatments, even when delivered with IMRT. The lung 'mean dose model', which is based on clinical data where a large lung volume receives a dose in the order of a few Gy, might not be that useful in protontherapy. It is likely that insights on the possible risk for lung radiation damage caused by proton therapy will come from the experience of stereotactic treatments (SRT) rather than from CRT and IMRT.