INTENISITY MODULATED RADIATION THERAPY (IMRT)

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1 Moderne tecniche radioterapiche INTENISITY MODULATED RADIATION THERAPY (IMRT) Luci e ombre 1

2 IMRT: Definizione Sofisticato sistema per piani di trattamento dotato di due fondamentali caratteristiche: Conforma la dose prescritta su un volume bersaglio (3D- CRT) L intensità di dose prescritta all interno del volume bersaglio è VOLUTAMENTE DISOMOGENEA Intensity Modulated dose profile Si ottiene in questo modo una personalizzazione della distribuzione di dose ai volumi di interesse utilizzando collimatori multilamellari per Divisione Radioterapia - Direzione Universitaria creare fasci di radiazioni Prof. Enza a intensità non uniforme. Barbieri 2

3 IMRT: Quando è indicata Target di forma irregolare posti in prossimità di strutture critiche Quando, in particolare, le strutture critiche sono situate in concavità della superficie del target I margini fra target e organi critici sono molto stretti E richiesta una dose escalation oltre i valori consentiti con tecniche 3D standard Per somministrare simultaneamente un sovradosaggio ( SIB : Simultaneous Integrated Boost o SMART : Simultaneous Modulated Accelerated Radiation Therapy) In caso di reirradiazione con ridotta tolleranza dei tessuti sani limitrofi 3

4 Due modalità tecniche di esecuzione della pianificazione IMRT FORWARD PLANNING INVERSE PLANNING 4

5 FORWARD PLANNING La modalità di irradiazione (n e direzione dei fasci e dei segmenti, filtri ecc ) viene definita MANUALMENTE dal fisico attraverso tentativi successivi fino a quando la distribuzione di dose non risulta ottimale. L assegnazione dei pesi corrispondenti ad ogni segmento avviene a posteriori 5

6 FORWARD PLANNING CLASS SOLUTIONS: criteri standardizzati di ottimizzazione del piano di trattamento (soluzione generica). Ciascuna class solution può essere utilizzata per pazienti con la stessa patologia e lo stesso stadio di malattia 6

7 INVERSE PLANNING Gli obiettivi clinici sono tradotti matematicamente in forma di constraints e di priorità o costo o score. Il computer cerca di OTTIMIZZARE AUTOMATICAMENTE il piano proponendo la modalità di irradiazione che più si avvicina alla soluzione richiesta 7

8 IMRT: Modalità di erogazione Acceleratori lineari dotati di collimatori multilamellari Apparecchiature dedicate CON GANTRY FISSO La direzione del fascio è costante durante la modulazione di fluenza CON GANTRY IN ROTAZIONE Il gantry si muove durante la irradiazione mentre avviene la modulazione dell intensità del fascio PENCIL BEAM La modulazione viene ottenuta pesando diversamente l intensità di piccoli fascetti elementari 8

9 IMRT: Modalità di erogazione CON GANTRY FISSO Modalità statica che realizza la modulazione erogando una sequenza di campi multipli statici, ognuno con fluenza uniforme, con il fascio spento nelle fasi di passaggio tra due differenti configurazioni del MLC (segmenti di modulazione). STEP AND SHOOT 9

10 Step & Shoot IMRT 1/3 Dose 1. MLC field Set-Up 2. MLC field Set-Up 1/3 Dose 2/3 Dose 3. MLC field Set-Up 1/3 Dose Total Resulting Dose 10

11 IMRT: Modalità di erogazione CON GANTRY IN ROTAZIONE Modalità dinamica in cui il fascio non viene mai spento durante il movimento delle lamelle. Variando la distanza tra ogni coppia di lamelle e la velocità di scorrimento delle stesse si varia l intensità di dose fornita in ogni punto del campo di trattamento. SLIDING WINDOW 11

12 IMRT: Modalità di erogazione TECNICHE CON GANTRY IN ROTAZIONE Tomoterapia seriale Prima tecnica IMRT ad arco sviluppata e impiegata clinicamente. Utilizza un collimatore multilamellare binario, installabile su un acceleratore convenzionale. Il gantry ruotando una o più volte intorno al paziente irradia una sottile sezione dello stesso, mentre il lettino di trattamento rimane fisso durante l irradiazione. Il lettino viene poi traslato longitudinalmente per trattare la successiva sezione contigua del paziente fino a coprire l intero volume di interesse. 12

13 IMRT: Modalità di erogazione TECNICHE CON GANTRY IN ROTAZIONE Tomoterapia elicoidale prevede che il lettino venga traslato in modo continuo durante il procedere dell irradiazione di un fascio sottile (fan beam). La irradiazione avviene pertanto mediante una geometria elicoidale. La tecnica è realizzata con apparecchio dedicato ( Tomotherapy: acceleratore compatto da 6MV la cui testata ruota all interno di un gantry simile a quello di una tomografia computerizzata. Un collimatore primario definisce l ampiezza del fan beam nella direzione cranio-caudale, mentre la modulazione viene effettuata da un MLC binario ). 13

14 IMRT: Modalità di erogazione TECNICHE CON GANTRY IN ROTAZIONE IMAT (Intensity Modulated Arc Therapy) Realizzabile con un acceleratore lineare dotato di MLC dinamico. La forma del campo radiante definita dal MLC varia con continuità durante la rotazione del gantry al fine ottimizzare la distribuzione di dose. La modulazione di intensità è ottenuta con archi pesati in modo diverso ognuno dei quali presenta un proprio set di configurazioni delle lamelle. 14

15 IMRT: Modalità di erogazione PENCIL BEAM include quelle tecniche IMRT in cui la modulazione non è effettuata mediante sistemi meccanici, ma direttamente mediante la sovrapposizione di piccoli fasci o pencil beam. Una tecnica a pencil beam attualmente disponibile per l utilizzo clinico è il sistema Cyberknife costituito da un acceleratore compatto e leggero con una radiazione di fotoni di energia di 6MV, montato su un braccio robotico a 6 gradi di libertà. Il lettino è in grado di muoversi sia nelle tre direzioni di traslazione che nelle tre di rotazione. 15

16 IMRT: Modalità di erogazione SIB o SMART Il Simultaneous Integrated Boost è una modalità di IMRT che consente di rilasciare dosi diverse a volumi diversi con un unico piano di cura e durante la stessa seduta di trattamento. La somministrazione del boost integrato viene di norma realizzata attraverso un incremento della dose frazione sul volume macroscopico di malattia ( GTV Gross Tumor Volume), mentre i volumi irradiati in precauzione ricevono una dose giornaliera convenzionale. Il numero complessivo delle frazioni è ridotto in relazione all aumento della dose/frazione. Si tratta quindi di un frazionamento accelerato, definito anche SMART. 16

17 IMRT: Modalità di erogazione SIB o SMART Il vantaggio radiobiologico della SMART risiede nella maggior efficacia dell alta dose frazione e nella riduzione del tempo globale di terapia, che contrasta il ripopolamento cellulare tipico dei tumori a rapida crescita. Benché il SIB venga spesso identificato con l accelerazione del trattamento e la dose/fraction escalation, può anche essere applicato con uno schema di irradiazione del GTV a frazionamento convenzionale, il che comporta una riduzione della dose giornaliera sui volumi precauzionali 17

18 IMRT: Modalità di erogazione SIB o SMART Più alta dose per frazione Accelerazione impongono di stimare, oltre alla distribuzione della dose fisica, l equivalente dose biologica sulla base del modello Lineare- Quadratico e dei valori dei suoi parametri (rapporto α/β, tempo di raddoppiamento del tumore,ecc.). conseguenze indesiderate nel caso si utilizzi lo schema accelerato possibile effetto dannoso legato alle alte dosi per tessuti sani inclusi nel volume boost e, nel caso si utilizzi il frazionamento convenzionale per il GTV, possibile scarsa efficacia tumoricida delle basse dosi per frazione somministrate a titolo precauzionale. 18

19 IMRT: luci e ombre LUCI alta conformazione della dose risparmio organi critici; possibilità di dose escalation; possibilità di SIB; possibilità di ipofrazionamento; possibilità di re-irradiazione OMBRE Tumor missing maggiore quota di tessuti sani esposta a basse dosi 19

20 TUMOR MISSING La presenza di forti gradienti di dose e l impiego di fasci incidenti non uniformi, specie se generati con modalità dinamiche, rendono infatti il trattamento particolarmente suscettibile alle variazioni di posizione intra-fraction soprattutto nel trattamento di lesioni poste in organi soggetti a movimento per la escursione respiratoria o a spostamenti indotti da organi adiacenti IGRT 20

21 ESPOSIZIONE A BASSE DOSI L effetto radiobiologico dell incremento di volume tessutale esposto alle basse dosi e a gradienti di dose è ancora poco noto, ma non si può escludere che, soprattutto nei soggetti giovani e nei lungosopravviventi, possa condurre ad un incremento di incidenza di neopalsie radioindotte. Non maturi i dati a lungo termine 21

22 caratteristiche IMRT: patologie più studiate Neoplasie cervico-cefaliche Volumi di forma complessa Affidabile immobilizzazione Relativa ipomobilità delle strutture anatomiche Incertezze geometriche meno problematiche rispetto ad altri distretti obiettivi Riduzione tossicità parotidea dose escalation con potenziale incremento del controllo locale esposizione contemporanea di volumi multipli a dosi differenziali in funzione del rischio 22

23 caratteristiche IMRT: patologie più studiate Volume concavo Movimento della ghiandola indotta dagli organi limitrofi Incertezze geometriche Necessità di adozione di dispositivi di IGRT obiettivi Neoplasie prostatiche Riduzione tossicità rettale e vescicale dose escalation per forme a rischio intermedio e alto Possibilità di irradiazione dei linfonodi pelvici con frazionamento convenzionale e ipofrazionamento sulla ghiandola 23

24 caratteristiche IMRT: patologie più studiate Estrema variabilità del volume della ghiandola Particolari situazioni anatomiche tipo pectus excavatum Necessità di adozione di sistemi di controllo del respiro obiettivi Neoplasie mammarie Riduzione tossicità cardiaca e polmonare in particolari situazioni anatomiche Potenziale miglioramento della cosmesi per più omogenea distribuzuione di dose in mammelle voluminose Possibilità di irradiazione contemporanea, quando indicata, delle stazioni linfonodali ( in particolare: mammarie interne ) 24

25 caratteristiche IMRT: patologie più studiate Neoplasie paraspinali Volumi di forma concava per eccellenza Stretta contiguità con il midollo obiettivi Possibilità di erogare le alte dosi in genere richieste da patologie tipo sarcomi e cordomi superando il limite di dose imposto dal midollo 25

26 Rapporti ISTISAN 08/12 26

27 Rapporti ISTISAN 08/12 27

28 Mandatoria dosimetria personalizzata al singolo paziente Rapporti ISTISAN 08/12 28

29 PROGETTO IMRT - POLICLINICO S.ORSOLA-MALPIGHI Caratteristiche fisiche: Tecnica step and shoot Caratteristiche cliniche: Neoplasie del rino e orofaringe non operate Inverse planning Concomitant boost 29

30 INVERSE PLANNING DUE NECESSITÀ CONSTRAINTS Constraints OAR -Midollo spinale 45Gy -Mandibola 70Gy -Parotidi 20 cc vol < 20 Gy Constraints PTV -Non più 20% PTV > 110% dose prescr. -Non più 1% PTV < 93% dose prescr. PRIORITA 1) Limiti dose OAR critici 2) Rispetto prescr. dose 3) Rispetto gh. salivari 4) Rispetto altri OAR 30

31 BOOST SIMULTANEO OROFARINGE PTV66 (CTV66+5mm): 66Gy, 2.2Gy x 30 frazioni PTV60 (CTV60+5mm): 60Gy, 2Gy x 30 frazioni PTV54 (CTV54+5mm): 54Gy, 1.8Gy x 30 frazioni RINOFARINGE PTV70 (CTV70+5mm): 70Gy, 2.12Gy x 33 frazioni PTV59.4 (CTV59.4+5mm): 59.4Gy, 1.8Gy x 33 frazioni PTV50.4 (CTV50.4+5mm): 50.4Gy, 1.8Gy x 28 frazioni 31

32 Requisiti per il piano di trattamento -Sistemi di immobilizzazione: maschera a 5 punti -TC-PET : dai seni frontali fino alla biforcazione tracheale DEFINIZIONI VOLUMI RINOFARINGE GTV: aree macroscopiche di malattia (T ed N) CTV70: GTV+5mm Rinofaringe Clivo, base cranica CTV59.4 Fossa pterigoidea Spazio parafaringeo, parte inf. Seno sfenoidale terzo post. Cavità nasale+seni mascellari LN retrofar, II, III, V alto, IB se N+ Retrofaringei CTV50.4: LN a basso rischio (IV e V basso) 32

33 Requisiti per il piano di trattamento GTVCT PTV66 GTVPET PTV60 33

34 Requisiti per il piano di trattamento Organi a rischio CRITICI : -Tronco encefalico (1mm espansione) -Midollo spinale (5mm espansione) -Nervo ottico, Chiasma ottico (1mm esp) - Mandibola, art. Temp-mand -Lobi temporali Organi a rischio: -Orecchio medio+int, Lingua, Occhi -Cristallino, Cervello - Gh. Parotidi, Pituitaria, Laringe glottica Pianificazione del trattamento PTV70 (CTV70+5mm): 70Gy, 2.12Gy x 33 frazioni PTV59.4 (CTV59.4+5mm): 59.4Gy, 1.8Gy x 33 frazioni PTV50.4 (CTV50.4+5mm): 50.4Gy, 1.8Gy x 28 frazioni 34

35 Dosi max agli organi a rischio CRITICI -Tronco Encefalico, n. ottici, chiasma 54Gy -Midollo spinale 45Gy -Mandibola, art temp-mand 70Gy -Lobi temporali 60Gy -Tess. Non spec 110% dose prescritta PTV70 Organi a rischio -Orecchio int/medio 50Gy -Lingua 55Gy -Laringe glottico 45Gy -Occhi 35Gy Dose Media 26Gy (Vol 1 ghian) o -Gh. Parotidi 20cc Vol tot < 20Gy o 50% Vol 1 gh <30Gy 35

36 IMRT Definizione dei fasci Apparecchio: ONCOR Energia: 6 MV N campi: 7 N segmenti: 70 Area minima/seg: 4 cm 2 MU minime/seg: PIANIFICAZIONE INVERSA

37 IMRT 37

38 IMRT Tempi di attività fisico-dosimetrica (1) DAL MOMENTO IN CUI IL MEDICO RADIOTERAPISTA CONSEGNA LA SEGMENTAZIONE: l operatore di fisica sanitaria determina nuove regioni intorno ai PTV e agli OAR in base alle strategie dosimetriche dettate dalla pianificazione inversa; effettua il piano di trattamento con tps pinnacle 3 secondo la modalità inverse planning ; illustra al medico radioterapista i risultati dosimetrici ottenuti con la pianificazione ed effettua eventuali modifiche in base alle osservazioni cliniche del radioterapista; il medico radioterapista approva il piano di trattamento IMRT nel rispetto dei vincoli agli organi a rischio e delle dosi prescritta.

39 IMRT Tempi di attività fisico-dosimetrica (1) l operatore di fisica sanitaria attiva in pinnacle l opzione copy to phantom che permette di traslare il trattamento del paziente in un fantoccio solido piano precostituito e gia registrato in pinnacle. pone tutti i campi di trattamento con campo a 0. calcola in pinnacle, per ogni singolo campo, la distribuzione della dose in un piano perpendicolare all asse del fascio di rotazione posto a profondita di 5 cm. determina sperimentalmente la distribuzione di dose in fantoccio solido con rivelatori 2d (2d array) adottando la geometria di riferimento. confronta la matrice di dose calcolata in pinnacle e la matrice di dose misurata (per lo stesso campo e nelle stesse condizioni geometriche di riferimento) mediante software verisoft (ptw) se il suddetto confronto supera il test di accettabilita secondo i criteri di verifica adottati, avvisa il medico radioterapista della possibilita di esecuzione del trattamento imrt e invia all acceleratore oncor in r&v i dati tecnici del trattamento

40 IMRT Verifica dosimetrica personalizzata PER OGNI PAZIENTE!!! (E PER OGNI CAMPO) VERIFICA SPERIMENTALE PIANO DI TRATTAMENTO IM beam Planar dose map Solid phantom 2D Array

41 IMRT Verifica dosimetrica personalizzata Confronto dati calcolati / misurati Funzione γ ( 3% - 3 mm) Funzione γ : Accordo fra dose calcolata e misurata

42 IMRT Tempi macchina PER IL TRATTAMENTO: 7 CAMPI, 70 SEGMENTI OCCUPANO 2 SPAZI LINAC ONCOR PER LA VERIFICA DOSIMETRICA: ALMENO 2 ORE/paziente PER I CQ SU LINAC ONCOR: ALMENO 2 ORE/settimana

43 PROGETTO IMRT - POLICLINICO S.ORSOLA-MALPIGHI IMRT POST-OPERATORIA Oro-ipofaringe Criteri di eleggibilità Pz operati per neoplasie dell oro-ipofaringe con indicazione ad un trattamento radiante esterno adiuvante Criteri di esclusione -Metastasi a distanza -RTE precedente per T testa-collo 43

44 Sostituisce precedente RT conformazionale Apparecchio: PRIMUS1, PRIMUS2, ONCOR Energia: 6 MV N campi: 4/6 N segmenti: fino a 9/10 PIANIFICAZIONE DIRETTA TECNICA DEGLI EMICAMPI 44

45 Requisiti per il piano di trattamento -Sistemi di immobilizzazione: maschera a 5 punti -TC-PET o TC: dai seni frontali fino alla biforcazione tracheale DEFINIZIONE DEI VOLUMI GTV: aree macroscopiche di malattia (T ed N) preintervento CTV 59.4: T + LNF positivi ( CONCOMITANT BOOST) CTV 50: LNF a rischio di metastasi ( tutti i lnf dal I-VI livello bilateralmente) PTV : 5 mm di espansione isotropica attorno al CTV (modificare manualmente in prossimità dell osso e dell aria) Pianificazione del trattamento PTV 59.4 (CTV59.4+5mm): 59.4 Gy, 2.2Gy x 27 frazioni PTV 50 (CTV50+5mm): 50 Gy, 1.8Gy x 27 frazioni 45

46 IMRT postoperatoria Definizione dei fasci Apparecchio: ONCOR Energia: 6 MV N campi: 5 N segmenti: 30 Area minima/seg: 9 cm 2 MU minime/seg: PIANIFICAZIONE INVERSA 46

47 IMRT postoperatoria Verifica Dosimetrica Personalizzata EFFETTUATA PER I PRIMI 10 PAZIENTI TUTTE LE VERIFICHE SONO ENTRO I LIMITI DI ACCETTABILITA SI RICHIEDE UNA MINOR COMPLESSITA DELLA MODULAZIONE D INTENSITA NON NECESSARIA VERIFICA DOSIMETRICA PERSONALIZZATA MA SPECIFICI CQ SU LINAC ONCOR MLC LINEARITA ALLE BASSE DOSI

48 IMRT semplificata 48

49 IMRT: Risorse necessarie Esigenze specifiche della radioterapia moderna Catena di procedure effettuate da una serie di operatori diversi Aumento del numero e della varietà delle apparecchiature coinvolte nel processo radioterapico Aumento della complessità delle apparecchiature delle procedure Aumento del numero di informazioni che devono essere trasmesse tra le apparecchiature e tra le persone Incremento numero di dati di trattamento negli ultimi 5 anni. o Tecnica box o Conformazionale o IMRT > 450 Criticità Il collegamento in delle potenziali rete di tutto il processo conseguenze di non èomissioni un lusso ma e è una inesattezze necessità 49

50 IMRT: Risorse necessarie Tempi mediani di utilizzo di risorse umane e strumentali aumentati da 4 a 10 volte rispetto ai trattamenti conformazionali 3D standard Contornamento target, sue frazioni in funzione delle diverse dosi prescritte e organi critici ( eventuale necessità di accesso a imaging aggiuntivi rispetto alla TC quali TC- Pet e RMN) Elaborazione di un trattamento con inverse treatment planning e verifiche dosimetriche personalizzate Esecuzione quotidiana del trattamento (dipendente dalla complessità del trattamento e conseguentemete dalla entità di movimento dei collimatori lamellari). Accelerati Personale medico Aggiornamento Personale fisica sanitaria & Formazione Occupazione posto macchina e personale tecnico Continui 50

51 Grazie per l attenzione 51