Radioterapia con controllo del respiro: valutazione ed implementazione del Sistema Active Breathing Coordinator e ruolo del TSRM nella procedura

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1 Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Facoltà di Medicina e Chirurgia Corso di laurea in: Tecniche di radiologia medica per immagini e Radioterapia Radioterapia con controllo del respiro: valutazione ed implementazione del Sistema Active Breathing Coordinator e ruolo del TSRM nella procedura Relatore: Dott. Filippo Bertoni Correlatore: Dott. Bruno Meduri Tsrm Barbara Salvi Tesi di Laurea di: Valentina Pedone - Anno accademico

2 Contenuti della tesi Premessa 2 CAPITOLO 1- Introduzione La Radioterapia: generalità 1.2 Organ motion in radioterapia Organ motion intra-frazione e sua compensazione Organ motion nel carcinoma della mammella Sistema Active Breathing Coordinator (ABC) CAPITOLO 2- Parte sperimentale Introduzione 2.2 Materiali e metodi Patient training Simulazione del trattamento con Sistema ABC Valutazione della riproducibilità del Sistema ABC CAPITOLO 3- Risultati Fattibilità 3.2 TC planning e riproducibilità CAPITOLO 4- Discussione 34 CAPITOLO 5- Conclusione 37 CAPITOLO 6- Biografia 38 1

3 PREMESSA L'ultimo decennio ha visto, in ambito radioterapico, l'introduzione di tecnologie avanzate in grado di somministrare dosi terapeutiche di radiazioni con più precisione e accuratezza soddisfacendo quello che è l obiettivo primario della radioterapia: somministrare un elevata dose al volume bersaglio e contemporaneamente erogare la dose più bassa ai tessuti sani circostanti. L alta conformazione di dose ottenuta grazie a tali tecniche (3D-CRT, IMRT) richiede un sempre più preciso posizionamento del paziente e una accurata gestione delle incertezze riguardanti il movimento degli organi. Solo soddisfacendo questi criteri si può essere ragionevolmente certi che il trattamento erogato da un acceleratore lineare sia conforme al piano di trattamento. Accurate e ripetibili verifiche di un corretto set-up e l utilizzo di sistemi di controllo e compensazione del movimento risultano essere un requisito sempre più importante in campo radioterapico; questo al fine di ridurre i margini d errore e limitare la dose erogata al solo Planning Target Volume (PTV), cioè al volume pianificato. A tale scopo, in ambito di ricerca sono in corso di valutazione varie tecniche di controllo del movimento quali: sistemi di gating, tumor tracking e di breath hold. Scopo della presente tesi è quello di valutare un dispositivo di breath hold (Active Breathing Coordinator) in dotazione presso l Unità Operativa di Radioterapia dell Azienda Ospedaliero-Universitaria del Policlinico di Modena per determinare l adeguatezza e l impatto organizzativo nell ambito della radioterapia per neoplasie mammarie, con particolare riguardo al ruolo del Tecnico sanitario di radiologia medica (TSRM) nell utilizzo del sistema. 2

4 CAPITOLO 1- INTRODUZIONE 1.1 La Radioterapia: generalità La Radioterapia nasce in seguito alla scoperta dei raggi X e dei fenomeni legati alla radioattività e consiste nella somministrazione accurata di precise dosi di radiazioni per la cura di alcune malattie, in particolare dei tumori. È un trattamento localizzato, indolore, che nella maggior parte dei casi coinvolge aree ben delimitate dell'organismo. Lo scopo di questo tipo di terapia è determinare la morte mitotica delle cellule tumorali, cercando di risparmiare il più possibile i tessuti sani vicini al target. Il danneggiamento dei tessuti avviene mediante l effetto delle radiazioni sul DNA cellulare. Le cellule normali possiedono meccanismi naturali di riparazione del DNA, ma le cellule tumorali, dotate di maggiore velocità di riproduzione, difettano di questa capacità, e sono pertanto esposte ad una maggiore facilità di danneggiamento. Inoltre il danno indotto in una cellula tumorale viene ereditato anche dalle cellule che ne derivano dopo la replicazione, fatto che ne accelera la distruzione. Le modalità più diffuse di applicazione dei raggi X a scopo terapeutico sono sostanzialmente due, ossia: 1. la radioterapia esterna (detta anche a fasci esterni o trascutanea), che consiste nell irradiare la zona interessata dall esterno, utilizzando una sorgente di radiazioni, posta per l appunto all esterno del corpo del paziente; 2. la brachiterapia, che significa terapia da vicino e consiste nel portare la sostanza radioattiva in prossimità o all interno della massa neoplasica. In questo caso la sorgente radioattiva è posta a diretto contatto con il bersaglio. La radioterapia è utilizzata in oncologia in circa il per cento di tutti i pazienti, associata ad altre terapie (la chirurgia, chemioterapia), o da sola. 3

5 Negli ultimi anni la radioterapia oncologica ha assunto una notevole importanza nella cura di quasi tutti i tumori grazie ad un rapido sviluppo tecnologico e metodologico. L avvento della TC e dei primi computer destinati a ricostruire la distribuzione della dose all interno del corpo umano ha portato a poter vedere il bersaglio (volume tumorale) e le strutture sane da rispettare. Oggi è possibile somministrare dosi terapeutiche di radiazioni con più precisione e accuratezza soddisfacendo quello che è l obiettivo primario della radioterapia: somministrare un elevata dose al volume bersaglio e contemporaneamente erogare la dose più bassa ai tessuti sani circostanti. Lo standard attuale delle tecniche radioterapiche è rappresentato dalla radioterapia 3D conformazionale (3D-CRT); mediante questa tecnica il volume tumorale viene ricostruito in tre dimensioni e assieme ad esso quello degli organi critici circostanti. Specifici computer (TPS, treatment planning system) consentono di valutare la distribuzione tridimensionale della dose sia al tumore bersaglio che agli organi critici, ottenendo dosi differenziate fra queste due diverse strutture, una da colpire, l altra da rispettare. Un ulteriore evoluzione delle tecniche di trattamento è rappresentata dalla radioterapia ad intensità modulata (IMRT), che aggiunge la possibilità di variare l intensità della dose all interno della stessa zona tumorale, adattandosi meglio alla forma della massa tumorale anche in situazioni particolarmente delicate: per esempio quando il tumore è adiacente al midollo spinale e necessita di una distribuzione della dose molto conformata. È ovvio che la realizzazione di apparecchiature particolarmente avanzate, capaci di concentrare con precisione il fascio radioattivo sulla zona tumorale risparmiando i tessuti circostanti, ha modificato in modo determinante l utilizzo e le applicazioni della radioterapia, portandola da trattamento palliativo a terapia fondamentale e in certi casi prioritaria di diverse malattie tumorali. 4

6 L'implementazione di sempre piú avanzate tecniche radioterapiche associata alla possibilità di utilizzare tecniche diagnostiche quali ad esempio RMN e PET hanno permesso al radioterapista di definire in maniera ottimale il volume sede di localizzazioni neoplastiche macroscopiche (Gross tumor volume, GTV) o subcliniche (Clinical target volume, CTV). Inoltre, l'utilizzo di sistemi di immobilizzazione sempre più personalizzati ha permesso di ottenere errori di set-up del paziente sempre minori e una migliore riproducibilità del trattamento. Tutto ció, però non riesce a risolvere completamente un altro problema legato alla precisione del trattamento radiante: l'organ motion, ossia tutti quei movimenti fisiologici degli organi interni che non sono controllabili con i normali sistemi di immobilizzazione. Figura 1: definizione del target in accordo con il Report ICRU 50 e ICRU 62 5

7 1.2 Organ motion in radioterapia Con il termine organ motion si intende il movimento che alcuni organi compiono in condizioni basali per effetto di processi fisiologici [1]. Questo fenomeno si presenta quindi nei distretti corporei nei quali i processi fisiologici comportano spostamenti o deformazioni delle strutture interne. Ad esempio, il distretto cranico non è soggetto ad organ motion, mentre lo sono la zona toracica ed addominale dove l apparato digerente, l apparato respiratorio, il sistema cardiocircolatorio e l apparato escretore generano, durante la loro attività, spostamenti non trascurabili. I fenomeni di organ motion si possono classificare in relazione alle sedute di radioterapia e sulla base temporale in [2]: - Organ motion inter-frazione, movimenti apprezzabili solo tra una seduta di trattamento e l altra e non all interno della stessa seduta. Questo fenomeno riguarda per lo più organi appartenenti all apparato digerente o che sono prossimi ad esso. Un esempio di ciò può essere riscontrato durante il trattamento della prostata: infatti, la posizione di tale organo dipende in gran parte dal riempimento di retto e vescica e ciò fa sì che la posizione del target possa cambiare giorno per giorno in modo strettamente correlato con le funzioni intestinali [3]. I movimenti inter-frazione sono anche causati da eventuali riduzioni o accrescimenti della massa tumorale, rotazioni e traslazioni della stessa rispetto alle strutture ossee, perdita o aumento di peso del paziente a causa della radioterapia o di altre terapie in corso [4]. Per ridurre gli effetti dell organ motion inter-frazione si possono sfruttare metodi basati sull image guide, i quali prevedono l acquisizione di immagini del paziente immediatamente prima della somministrazione della dose, con lo scopo di identificare quotidianamente l esatta posizione dei volumi di interesse, in particolare del Planning target volume (PTV) 6

8 e degli organi critici e mettere in atto opportuni interventi correttivi. Infatti nonostante gli sforzi effettuati per immobilizzare il paziente al momento della terapia, permangono quasi sempre incertezze riguardanti la posizione del tumore e dei tessuti sani. Senza l aiuto dell image guide pre-trattamento eventuali spostamenti della lesione dovuti a movimenti del paziente, modifiche dell anatomia interna o della forma del tumore potrebbero incidere sulla precisione dell irradiazione e far sì che la dose prescritta non venga rilasciata correttamente [5]. - Organ motion intra-frazione: movimenti apprezzabili anche all interno della singola seduta di trattamento. In questo caso si ritiene che i principali responsabili del movimento siano il ciclo respiratorio, la contrazione cardiaca e la pulsazione vascolare, in particolare dell aorta [3]. La respirazione è tra questi tre fattori la causa principale dell organ motion intra-frazione Organ motion intra-frazione e sua compensazione Quando si parla di organ motion intra-frazione ci si riferisce a quei movimenti visibili nel corso della seduta di trattamento e dovuti principalmente alla respirazione. Gli organi che si trovano nella zona toracica e addominale possono muoversi anche di 40mm durante gli atti respiratori e l anatomia interna può cambiare significativamente sia durante il trattamento che tra un trattamento e l altro [1]. Il movimento respiratorio, in fase di simulazione, ha come effetto una degradazione della qualità dell immagine, può causare artefatti tali da produrre distorsioni rilevanti, soprattutto nella direzione di avanzamento della scansione, con errori nella valutazione della forma e del volume della regione anatomica in esame: ciò impone al medico radioterapista l utilizzo 7

9 di un margine abbastanza ampio da dare al CTV per creare il PTV da considerare nella fase di pianificazione e trattamento. Il movimento del tumore dovuto alla respirazione potrebbe indurre artefatti non solo geometrico-volumetrici ma anche avere di fatto ricadute sull accuratezza del trattamento in termini dosimetrici legate alle incertezze nella stima della distribuzione di dose teorica o calcolata (dose blurring). Tutto ciò spiega il crescente interesse per lo studio degli effetti del respiro e per lo sviluppo di metodi di controllo e compensazione di tali effetti. L obiettivo di questi metodi è: ottenere immagini libere da artefatti da movimento così da migliorare la qualità e l accuratezza diagnostica delle immagini; valutare i movimenti delle lesioni e degli organi circostanti, al fine di ottenere una più accurata definizione del piano di cura; riduzione dell internal margin da aggiungere al CTV e delle variabilità geometriche e densitometriche durante la pianificazione del trattamento Organ motion nel carcinoma della mammella La radioterapia è un importante presidio terapeutico per le neoplasie mammarie in tutte le loro fasi evolutive ed in particolare come trattamento adiuvante dopo la chirurgia conservativa e rappresenta oggi un importante quota del carico di lavoro delle Unità Operative di Radioterapia (circa 20-25%). La tecnica più utilizzata e l attuale standard radioterapico di cura per i tumori mammari in fase precoce è rappresentato dalla radioterapia conformazionale 3D con l utilizzo di due o più fasci opposti tangenti alla parete toracica, con geometrie tali da poter minimizzare l esposizione a cuore e polmoni. A causa della curvatura della parete toracica infatti una parte di volume polmonare e cardiaco è inclusa nei campi di irradiazione e ciò pone 8

10 problemi di risparmio per gli organi vicini in riferimento anche alle modifiche degli stessi nel corso della seduta di radioterapia. La ghiandola mammaria infatti è un organo che si trova in sede toracica, quindi il tumore che può colpire tale organo e gli OAR (organi a rischio) adiacenti risentono della problematica dell organ motion inter-frazione. Il movimento della mammella è dovuto prevalentemente al movimento respiratorio. Come citato precedentemente, gli organi che si trovano nella zona toracica e addominale sono infatti maggiormente soggetti all organ motion intra-frazione e il movimento respiratorio ne rappresenta la principale causa. Per tener conto dei possibili errori di set up e del movimento del paziente durante l irradiazione si ricorre generalmente all aggiunta di un margine di sicurezza al volume mammario irradiato per ottenere il PTV. I margini tra CTV-PTV convenzionali sono di norma di 1-2cm e pertanto una maggior quantità di OAR sono compresi nel campo di trattamento [6]. Alcuni studi hanno riportato che tecniche di controllo del respiro, particolarmente quelle che consentono di bloccare il respiro in fase di inspirazione, possono essere utilizzate al fine di limitare e individualizzare i margini tra CTV e PTV e ridurre la quantità di radiazioni rilasciata a cuore e polmoni. Queste tecniche, infatti, permettono una separazione spaziale del cuore dal target e, grazie all'espansione polmonare, una riduzione della densità del parenchima polmonare irradiato [7,8]. Le principali tecniche oggetto di ricerca per la risoluzione del problema dovuto al movimento respiratorio sono: GATING RESPIRATORIO TUMOR TRACKING DEEP INSPIRATION BREATH HOLD (DIBH) 9

11 La tecnica di GATING RESPIRATORIO prevede che i pazienti respirino liberamente e che l irradiazione sia sincronizzata con una prestabilita fase respiratoria in cui il tumore presenta una ridotta mobilità. La tecnica del TUMOR TRACKING consiste nel sincronizzare l apertura del fascio di radiazioni ottenuta mediante un multileaft dinamico con il movimento del tumore indotto dalla respirazione. La DIBH prevede che il paziente mantenga lo stesso livello d inspirazione forzata durante le fasi di simulazione e di trattamento; l obiettivo è quello di garantire che l erogazione delle radiazioni avvenga solo in concomitanza di una specifica manovra e fase respiratoria. Un esempio di sistema DIBH è rappresentato dal Sistema Active Breathing Coordinator, il quale arresta automaticamente la respirazione al momento opportuno, rendendo la sospensione del respiro più riproducibile [9]. Il Sistema Active Breathing Coordinator (ABC, Elekta, UK) è stato testato per ridurre l'impatto negativo dell'organ motion in varie neoplasie. Molti autori hanno riportato un vantaggio potenziale dell'abc nel ridurre l'irradiazione degli organi sani nelle neoplasie mammarie [6] Sistema Active Breathing Coordinator (ABC) Il Sistema ABC è un dispositivo che permette di controllare/monitorare il respiro del paziente che si deve sottoporre a trattamento radioterapico e di valutare per quanti secondi il paziente è in grado di tenere in sospeso la respirazione; tutto questo al fine di ridurre i margini di movimento causati dalla normale respirazione. Viene attualmente proposto per i tumori localizzati al torace e addome superiore con lo scopo di irradiarli esclusivamente durante la sospensione del respiro; in questo modo la somministrazione della dose al volume bersaglio sarà più precisa e con un massimo risparmio dei tessuti sani circostanti [10]. 10

12 Questo apparecchio è utilizzato durante tutte le fasi dell iter radioterapico: dalla fase di addestramento del paziente (dove il paziente conosce, impara e familiarizza con il sistema) alla Tac di centratura e durante tutto il trattamento. I suoi principali componenti sono [11]: sistema carrello; sistema di respirazione del paziente; sistema di supporto dello specchio; monitor feedback; interruttore di controllo del paziente; computer portatile e trasmettitore; layout dello schermo ( schermata principale). 11

13 SISTEMA CARRELLO Grazie alle quattro ruote di cui è dotato è possibile spostare il sistema da una sala all altra; ad esempio, dall ambulatorio in cui avviene l addestramento del paziente può essere portato alla sala in cui verrà fatta la TAC di centratura e alla sala di trattamento. È composto da tre ripiani nei quali sono posizionati le seguenti parti: 1. Monitor LCD feedback 2. Modulo di controllo 3. Alimentatori 4. Ricevitore o trasduttore del sistema estensione PC 5. Cavo seriale RS Cavo di alimentazione 12

14 SISTEMA DI RESPIRAZIONE DEL PAZIENTE Come mostrato in figura, il sistema di respirazione è connesso al sistema di supporto degli specchi. Il boccaglio è collegato ad un tubo di respirazione regolabile e ad un kit di filtraggio, collegato al trasduttore digitale di volume. Al paziente viene chiesto di respirare normalmente attraverso questo sistema fino a quando non si avvia la fase di trattenimento del respiro. L uso di una molletta naso impedisce errori di valutazione nel calcolo dell aria in ingresso e in uscita dal polmone del paziente. Il boccaglio, i filtri e la molletta nasale sono intesi come dispositivi monouso. 1. Boccaglio e kit di filtraggio 2. Raccordo di connessione del sistema di supporto dello specchio 3. Turbina del trasduttore e gruppo di rivelazione 4. Raccordo trasduttore/valvola a palloncino 5. Valvola a palloncino 6. Cavo del trasduttore (si connette al modulo di controllo) 7. Cavo della valvola a palloncino (si connette al modulo di controllo) 13

15 SISTEMA DI SUPPORTO DELLO SPECCHIO E MONITOR FEEDBACK Il paziente è in grado di osservare il monitor feedback mediante un sistema di specchi. Lo schermo che viene visto dal paziente è identico a quello dell operatore (TSRM), permettendo in tal modo un contatto diretto tra i due. I pazienti sono in grado di vedere la propria curva respiratoria sia in fase di respiro libero sia in fase di trattenimento, quando il TSRM attiva il sistema che dà il via alla fase di trattenimento della respirazione e la durata di quest ultima quando la curva supera il valore soglia. 1. Specchio superiore il paziente guarda questo specchio 2. Specchio inferiore riflette l immagine del monitor feed-back sullo specchio superiore 3. Regolazione in rotazione 4. Regolazione orizzontale 14

16 5. Scala dell altezza graduata in mm 6. Regolazione verticale 7. Raccordo di connessione del sistema di supporto dello specchio 8. Base 9. Poggiatesta regolabile per il paziente 10. Regolazione in rotazione del sistema di respirazione del paziente. INTERRUTTORE DI CONTROLLO DEL PAZIENTE L interruttore di controllo consente al paziente di interrompere la sessione di trattenimento del respiro. Il paziente dovrebbe tener sempre premuto l interruttore e rilasciarlo solo in caso di emergenza/disagio, cioè qualora non riuscisse a trattenere il respiro per il tempo stabilito; nel momento in cui il paziente rilascia l interruttore il sistema consentirà immediatamente la ripresa della normale respirazione. Quando il pulsante viene tenuto premuto dal paziente la curva respiratoria è di colore BLU; qualora il pulsante venga rilasciato la curva respiratoria sarà di colore ROSSO. 15

17 COMPUTER PORTATILE E TRASDUTTORE Il computer portatile insieme al proprio trasduttore sono posizionati nella sala consolle, separati quindi dal resto dei componenti del Sistema ABC posizionati nella sala di imaging e di trattamento. Il portatile viene utilizzato dall operatore e mediante questo comanda e controlla la respirazione del paziente. La schermata del computer è la stessa visualizzata sul monitor feedback ed è quindi vista dal paziente mediante il sistema di specchi. 1. Trasmettitore 2. Connettore video del cavo seriale RS Connettore del cavo personalizzato 4. Porta di connessione del cavo CAT5 5. Computer portatile 6. Connettore video del cavo personalizzato 7. Connettori per mouse e tastiera 8. Cavo seriale RS Cavo personalizzato 10. Ingresso alimentazione del trasmettitore 16

18 LAYOUT DELLO SCHERMO DEL SOFTWARE DI CONTROLLO Per layout dello schermo del software di controllo si intende la schermata principale visibile sia al computer portatile sia al monitor feedback; è suddivisa in diverse finestre: 1. Finestra di visualizzazione del volume respiratorio del paziente 2. Finestra informazioni paziente 3. Finestra tempo sessione 4. Finestra messaggio utente 5. Finestra di informazione impostazioni del sistema 6. Finestra del conto alla rovescia di sospensione della respirazione 7. Acquisizione dati: pulsanti di pausa e registrazione 8. Barra dei menu 9. Area del volume di soglia 10. Valore del volume di soglia in litri 11. Visualizzazione volume in tempo reale 17

19 1. Finestra di visualizzazione del volume respiratorio del paziente. Fornisce una visualizzazione grafica del volume di aria che si sposta attraverso il trasduttore in funzione del tempo. L asse Y (volume in litri) e l asse X (tempo in secondi) sono regolabili in base ai diversi pazienti. Una pendenza positiva sul grafico indica un inspirazione del paziente, mentre una pendenza negativa indica una espirazione. 2. Finestra informazioni paziente. La finestra delle informazioni del paziente visualizza Nome, ID e numero di Sessione del paziente in corso. 3. Finestra tempo sessione. Permette di vedere il tempo in cui è stato attivato il sistema a partire dal momento in cui il paziente è stato caricato, nel formato ore:minuti:secondi. 4. Finestra messaggio utente. Permette di comunicare all operatore gli errori, lo stato operativo e i messaggi di istruzioni del sistema. Comunica inoltre all utente quando è stato attivato il segnale di disagio del paziente visualizzando un indicatore lampeggiante rosso e un messaggio di avviso. 5. Finestra di informazione impostazioni del sistema. La finestra delle informazione sul sistema visualizza i seguenti parametri: - dimensioni trasduttore - modalità trigger: inspirazione o espirazione - durata sospensione respirazione in secondi - stato valvola a palloncino 6. Finestra del conto alla rovescia di sospensione della respirazione. 18

20 È illuminata in giallo quando è attivato il conto alla rovescia di sospensione della respirazione; visualizza i secondi rimanenti del periodo di sospensione della respirazione. 7. Acquisizione dati: pulsanti di pausa e registrazione. I pulsanti Registra e Pausa avviano e arrestano la registrazione delle informazioni della curva respiratoria. 8. Barra menu. Permette l accesso ai parametri del sistema. 9. Volume area di soglia. La regione di soglia indica il volume da cui inizia la sospensione della respirazione. Dopo l attivazione del sistema, questa regione si illumina di verde e una volta che questa viene superata da parte del paziente, inizierà l apnea. 10. Valore del volume soglia. Volume d aria che deve attraversare il trasduttore prima che il palloncino si gonfi. Quando il palloncino è gonfio il paziente non riesce a respirare perché questo gli blocca il normale respiro, una volta che è finito il tempo di sospensione della respirazione, il palloncino si sgonfia e il paziente tornerà a respirare. 11. Visualizzazione volume in tempo reale. La visualizzazione del volume in tempo reale mostra il volume d aria che viene misurato in tempo reale dal trasduttore. 19

21 CAPITOLO 2- PARTE SPERIMENTALE 2.1 Introduzione Con l istallazione del nuovo acceleratore Synergy, l Unità Operativa di radioterapia del Policlinico di Modena ha acquisito anche il dispositivo Active Breathing Coordinator nell ambito di un progetto collaborativo di ricerca propedeutico allo sviluppo della 4D-RT. In questa tesi affrontiamo le problematiche dell implementazione del sistema valutando il ruolo del TSRM, l impatto organizzativo e l affidabilità della procedura in termini di ripetibilità e precisione nel garantire la correttezza delle geometrie di irraggiamento. Il nostro studio ha analizzato il processo suddiviso in tre diverse fasi: Patient training Simulazione del trattamento con Sistema ABC Valutazione della riproducibilità del Sistema ABC. 2.2 Materiali e metodi Patient training Sono state reclutate pazienti affette da carcinoma mammario per le quali era stata posta indicazione per un trattamento radiante adiuvante. Lo scopo dell addestramento è stato quello di consentire al paziente di familiarizzare con il sistema e con le operazioni che dovrà eseguire, quali mantenere un respiro regolare con l uso del boccaglio e trattenere il respiro al momento richiesto e per un tempo adeguato [12]. Un addestramento accurato consente di migliorare l aderenza del paziente alla procedura, di migliorare le sue capacità al fine di sentirsi più preparato al momento dell uso dell apparecchio durante la fase di simulazione e del successivo trattamento radiante. La fase di addestramento è fondamentale, inoltre, per individuare importanti parametri: il valore di volume soglia (il volume d aria presente nei polmoni dopo l inspirazione 20

22 forzata) e la durata dell apnea (tempo di breath hold). Tali valori sono specifici per ogni paziente. Ogni paziente è stata addestrata lo stesso giorno della TC di simulazione e ad ognuna è stato spiegato il corretto posizionamento del boccaglio e l importanza di mantenere una buona tenuta ermetica con l aiuto delle labbra [13]. Le pazienti hanno eseguito la procedura nella stessa posizione prevista per il trattamento; è stato richiesto loro di respirare liberamente attraverso il boccaglio e con il tappa-naso inserito, fin ad ottenere una curva respiratoria regolare. Le pazienti sono state invitate ad eseguire un inspirazione profonda e trattenere l aria per un intervallo di tempo il più possibile lungo, ma tale da non provocare disagio. Le apnee in inspirazione profonda sono state ripetute per almeno quattro volte, intervallate da fasi di respiro libero. Sono stati registrati il volume inspiratorio massimo (MIV), il volume di breath hold (volume soglia), fissato ad un valore pari al 70% del MIV, il tempo di breath hold, definito come la media della durata delle 4 apnee in inspirazione profonda. Il valore del volume soglia e il tempo di breath hold sono stati inseriti nel software ABC, nel file specifico della paziente Simulazione del trattamento con Sistema ABC Avendo reclutato pazienti affette da carcinoma alla mammella, è stato simulato un trattamento radioterapico specifico per la ghiandola mammaria e quindi fatto riferimento ai tempi di trattamento standard delle sedute radioterapiche per la mammella (circa 3 minuti di beam-on); questi 3 minuti (180 secondi) sono stati divisi per il tempo di breath hold stabilito nella fase di training per ottenere il numero di apnee necessarie per il tempo di reale esecuzione della seduta. Maggiori sono i secondi di apnea e minore è il numero di apnee da far eseguire alla paziente per eseguire la seduta di radioterapia. 21

23 Ogni paziente è stata riposizionata sul lettino nelle stesse condizioni della fase di training, poi è stato attivato il Sistema ABC e collegato alla paziente. Stabilizzato il respiro, è stato chiesto alla paziente di fare un inspirazione profonda al termine della quale il sistema ha iniziato la fase di breath hold (figura 2). Durante la procedura venivano comunicati alla paziente i secondi rimanenti in modo da aiutarla a trattenere il respiro per tutta la durata programmata; una volta terminato il conto alla rovescia, la paziente riprendeva a respirare liberamente. Al termine di ogni fase di breath hold si è attesa la regolarizzazione del ciclo respiratorio per poi ripetere la stessa procedura per il numero di apnee necessarie per coprire un periodo di tempo di beam-on di 3min. Volume soglia 1= Respiro libero del paziente. 2= Inspirazione profonda del paziente (il sistema viene attivato). 3= Superamento del volume soglia e inizio apnea. Figura 2: Schema che mostra il ciclo respiratorio del paziente: respiro libero, inspirazione profonda e trattenimento del respiro. 22

24 Alla conclusione della simulazione della seduta di radioterapia prevista per il trattamento, è stata interrotta la registrazione della curva e si è registrato il numero di apnee eseguite. Per ogni paziente sono stati registrati i tempi dell intera procedura di simulazione del trattamento (dal momento in cui è stato posizionato il boccaglio fino al completamento dell ultima apnea) per poi stimare l impatto organizzativo legato all utilizzo del Sistema ABC in fase di trattamento. Alla fine della procedura, ad ogni paziente è stato sottoposto un questionario per poter raccogliere le impressioni riguardanti il sistema Valutazione della riproducibilità del Sistema ABC Per valutare la riproducibilità del sistema, in particolare per valutare la riproducibilità dell'anatomia della paziente in condizioni di breath hold ogni paziente è stata sottoposta, oltre alla normale TC di centratura, ad altre due scansioni TC (una in entrata e una in uscita) durante le apnee ottenute utilizzando il Sistema ABC. Ogni paziente è stata sistemata nella corretta posizione di set-up prevista per il trattamento della mammella: in decubito supino, con entrambe le braccia sopra la testa la cui riproducibilità è garantita dal Wing-board e un cuscino cilindrico sotto le ginocchia (vedi figura 3). 23

25 Figura 3: set up paziente Una volta identificato il corretto set up, sono stati posizionati dei reperi radiopachi (di piombo) al centro del volume di interesse, precisamente due laterali e uno centrale, con l ausilio dei laser esterni; è stata acquisita la scout view per definire il volume di acquisizione dalla base del collo al diaframma comprendendo tutto il volume mammario e polmonare. La scansione TC come da protocollo è stata eseguita mediante un acquisizione elicoidale delle fette con uno spessore di 3mm ciascuna e con gantry a 0, l utilizzo di un kilovoltaggio fisso ed un FOV di dimensioni tali da garantire l acquisizione di tutto il volume di interesse comprendendo PTV e un margine di alcuni cm sia craniale che caudale. È stato utilizzato il tomografo computerizzato Aquilion Large Bore della Toshiba Medical Systems, a dinamica volumetrica e ad alta risoluzione isotropica. Si tratta di uno scanner TC a 16 strati appositamente studiato per l impiego in radioterapia, con un campo di scansione di 70cm e un gantry di 90cm, il più grande della sua categoria che rende possibile la scansione in modo accurato di pazienti di tutte le dimensioni e nelle diverse posizioni di set up e che consente l utilizzo di sistemi di immobilizzazione per il trattamento radioterapico senza limitazioni. 24

26 Le caratteristiche principali di questo scanner TC sono: Gantry di 90 cm. Campo di vista di 70 cm. Massimo scan fov 70 cm. Spessore di fetta di 16 x 0,5 mm; 16 x 1,0 mm; 16 x 2,0 mm. Velocità minima di rotazione di 0.5 s/rotazione. Figura 4: Scanner TC Dopo la scansione TC a respiro libero, sistemato il boccaglio e la molletta tappa-naso, la paziente è stata invitata a respirare normalmente e ad ascoltare con attenzione via audio le nostre richieste. Ottenuta la regolarizzazione del respiro, le è stato richiesto di eseguire un'inspirazione profonda; il Sistema ABC ha provveduto a bloccare l'inspirazione ad un volume soglia impostato durante la fase di addestramento e si è dato avvio alla scansione. Terminata la prima scansione in apnea, la paziente ha ripreso a respirare liberamente. Regolarizzato il respiro è stata ripetuta 25

27 una scansione in inspirazione profonda, bloccata al volume soglia, con la stessa procedura descritta precedentemente. Le scansioni in apnea sono state esportate sul TPS Pinnacle e sovrapposte usando come punto di riferimento la DICOM origin; in seguito sono stati calcolati gli spostamenti lungo i tre assi delle clip chirurgiche individuate dal medico all'interno del volume mammario. Gli spostamenti sono stati calcolati in termini assoluti e relativi e in termine di medie, deviazione standard, errore standard e limiti di confidenza delle medie per definire la reale riproducibilità del sistema. 26

28 CAPITOLO 3- RISULTATI 3.1 Fattibilità Dieci pazienti hanno completato la fase di addestramento con il Sistema Active Breathing Coordinator. Solo una paziente, delle undici reclutate, non ha completato la fase di addestramento, per scarsa compliance (non è stata in grado di mantenere l apnea per un tempo ragionevole). L età media delle undici pazienti è stata di 60 (SD ± 10) anni. Tutte le pazienti avevano un ECOG performance status compreso tra 0 e 1. Nella figura 5 è riportato il tempo di addestramento totale di ogni singolo paziente; la media è stata di 37.7 min (SD ± 6.93). Figura 5: tempo di training totale di ogni paziente. Nella figura 6 sono stati riportati i tempi di breath hold; tutte le pazienti hanno tollerato un tempo > 15 s e la mediana è stata 23.5 secondi di apnea (range 16-30s). Nella figura 7 sono stati riportati i volumi del valore soglia; la media del valore soglia è stata di 1.21l (SD ± 0.31). 27

29 Figura 6: tempo di breath hold di ogni paziente Figura 7: Volume soglia di ogni paziente 28

30 Per simulare l'utilizzo dell'abc durante la fase di trattamento, è stato considerato un tempo di beam on totale di 3 min, per cui è stato diviso il tempo di beam on per il tempo di breath hold di ogni singola paziente. Nella figura 8 è stato riportato il numero di apnee necessarie per completare la simulazione del trattamento; la media è stata di 8 (range 6-12). Nella figura 9 sono stati riportati i tempi totali di simulazione del trattamento (non considerando il tempo necessario per il set-up); la media è stata 9'39" ( SD ±1'46"). Figura 8: Numero di apnee per trattamento di ogni paziente 29

31 Figura 9: tempo simulazione trattamento radiante di ogni paziente Dall analisi dei questionari sottoposti alle pazienti è stato rilevato che nessuna paziente ha trovato l utilizzo del Sistema ABC molto sconfortevole ma quattro di esse hanno definito scomodo l uso del tappanaso. Cinque pazienti hanno avuto problemi con la tenuta del boccaglio per tutta la durata di addestramento mentre la tosse è stata la causa di interruzione della fase di simulazione del trattamento in una paziente. 30

32 3.2 TC planning e riproducibilità La valutazione è stata eseguita su dieci pazienti; per otto di queste è stata effettuata una doppia rilevazione. L assemblamento del Sistema ABC ha richiesto un tempo medio di 10 minuti. L'utilizzo del breath hold durante la scansione TC ha incrementato la risoluzione eliminando il blurring dovuto ai movimenti respiratori, ciò ha migliorato la qualità delle immagini TC (figura 10). (a) (b) Figura 10: (a) scansione TC con respiro libero (effetto blurring). (b) scansione TC con sistema ABC Nelle figure sono rappresentati gli spostamenti delle clip tra le 2 acquisizioni TC acquisite in breath hold. Le mediane sono state: asse X (laterale) 0.35 mm (DS ), asse Y (longitudinale) 0 mm (DS + 2), asse Z (dorso-ventrale) 1.3 mm (DS ), vettore 3D dello scostamento 1.54 mm (DS +1.48). 31

33 Figura 11: spostamenti delle clip lungo l asse X Figura 12: spostamenti delle clip lungo l asse Y 32

34 Figura 13: spostamenti delle clip lungo l asse Z Figura 14: spostamenti vettore 3D 33

35 CAPITOLO 4- DISCUSSIONE Molti autori hanno riportato che le tecniche di controllo del respiro possono essere un utile strumento per ridurre l'irradiazione degli organi a rischio in pazienti trattate con radioterapia conformazionale adiuvante per tumore mammario [14]. Noi abbiamo condotto uno studio di fattibilità e valutato la riproducibilità del trattamento eseguito utilizzando il Sistema ABC in questo setting di pazienti. Nella nostra esperienza tutte le pazienti arruolate, ad eccezione di una, sono state in grado di eseguire tutte le procedure previste (fase di training, TC di simulazione in condizione di breath hold e simulazione di un trattamento radiante adiuvante sulla ghiandola mammaria). L'utilizzo corretto dell'abc in fase di pianificazione e di trattamento ha richiesto un accurato training della paziente, la cui durata media è stata di circa 38 min. Per un trattamento adiuvante sulla ghiandola mammaria con tecnica conformazionale, a fronte di un tempo di occupazione bunker, escludendo il tempo per il set-up del paziente, di circa 4 min, l'utilizzo del Sistema ABC in fase di simulazione di trattamento ha richiesto un tempo di circa 10 min. Il carico di lavoro aggiuntivo, solo per le singole sedute di radioterapia, è quindi aumentato almeno del 60 per cento con un impatto non trascurabile sul consumo di risorse. L'utilizzo del Sistema ABC, perciò, implica per il TSRM un incremento del carico di lavoro e può influire sulla scelta organizzativa delle singole strutture radioterapiche. Il Sistema ABC garantisce una buona riproducibilità dell'anatomia del paziente; nella nostra esperienza, nella fase di pianificazione, abbiamo acquisito scansioni TC in condizione di breath hold in inspirazione profonda separate da fasi di respiro libero. Abbiamo analizzato gli spostamenti delle clip chirurgiche tra le diverse scansioni, gli spostamenti medi sono stati di circa 1 mm, confermando la riproducibilità del sistema e la ripetibilità dei parametri geometrici e volumetrici di irraggiamento. 34

36 Il movimento di organi e lesioni indotto dalla respirazione, è un importante causa di degradazione della qualità di immagini e di deformazioni geometriche, che possono portare ad incertezze in fase di planning radioterapico. Il planning radioterapico di solito si basa su una singola scansione TC acquisita in respiro libero. Le immagini derivanti da questa acquisizione, rappresentano la lesione in una posizione random del ciclo respiratorio, pertanto il contornamento e il calcolo di dose sono applicati ad un modello statico del paziente, senza tener conto del movimento respiratorio del paziente in fase di trattamento. La mobilità del tumore non è completamente prevedibile, non esiste infatti una relazione certa tra la sede di localizzazione della lesione e la consistenza degli spostamenti. Questo può indurre errori sistematici nella definizione del target, ed influenzare in modo significativo tutte le fasi di trattamento. Anche i margini convenzionali tra CTV-PTV isotropici possono essere personalizzati e ridotti di 1-2cm. L utilizzo del Sistema ABC se si ne confessa l utilità potrebbe ridurre notevolmente tali margini con riduzione del volume irradiato di circa il 20 per cento. Grazie all'utilizzo di una moderna TC multislice che garantisce protocolli molto veloci di acquisizione, utilizzando il Sistema ABC in fase di pianificazione, abbiamo avuto la possibilità di realizzare in una singola fase di breath hold un'intera scansione della regione toracica; ciò ci ha permesso di ovviare ai problemi precedentemente descritti. Un buon training dei TSRM è molto importante perché una buona preparazione dello staff tecnico aiuta le pazienti a rilassarsi e svolgere le procedure in maniera corretta. Tutte le pazienti hanno espresso giudizi positivi riguardo le istruzioni date dal personale tecnico. L'importanza di una chiara comunicazione è stata enfatizzata in un precedente studio 35

37 dove una scarsa comunicazione è stata addotta come causa della scarsa tolleranza del Sistema ABC [15]. 36

38 CAPITOLO 5- CONCLUSIONI Il Sistema Active Breathing Coordinator sembra permettere un buon controllo dell'organ motion, consentendo una significativa riduzione degli artefatti dovuti al movimento, una miglior definizione del target ed un maggior risparmio di dose agli organi e tessuti sani circostanti con riduzione di volume del PTV stimabili intorno al 20 per cento. L uso del Sistema Active Breathing Coordinator in pazienti con tumore alla mammella è risultato fattibile, ben accettato dalle pazienti e ripetibile. Poiché il tempo di trattamento (simulato) è superiore a quello di un trattamento standard di irradiazione mammaria, è consigliabile un tempo di breath hold non inferiore a 15 secondi per poter eseguire le scansioni TC in apnea di tutto il volume mammario e per contenere la durata del trattamento radioterapico in un tempo accettabile. In base alla nostra analisi preliminare l utilizzo del Sistema ABC potrebbe garantire un miglioramento del trattamento radiante in pazienti affette da neoplasia mammaria a fronte di un aumento del carico di lavoro del TSRM che deve farsi carico delle procedure di training, dell utilizzo del Sistema durante la TC di simulazione e il trattamento all acceleratore. Si ritiene utile effettuare ulteriori studi volti ad individuare sottogruppi di pazienti che realmente possano avere benefici clinici dall'utilizzo del Sistema, e per le quali il rapporto costo beneficio giustifichi realmente le modifiche organizzative e il consumo aggiuntivo di risorse. Ulteriori ricerche dovranno fornire dati adeguati per valutazioni di EBM e informazioni utili per il SSN per analisi di governo clinico. 37

39 CAPITOLO 6- BIBLIOGRAFIA [1] J. Seco, G. C. Sharp, Z. Wu, D. Guerga, F. Buettner and H. Paganetti, Dosimetric Impact of motion in free-breathing and gated lung radiotherapy: a 4D Montecarlo study of intrafraction and interfraction effects, [2] Elaborato di M. Seregni, relatore prof. G. Baroni, Valutazione dell errore di puntamento nell inseguimento del respiro mediante acceleratore lineare robotizzato in trattamenti di radioterapia extra-cranica, anno accademico [3] K.M. Langen, D.T.M. Jones, Organ motion and its management, Int J Radiat Oncol Biol. Phys; 50: , [4] P. Keall, 4-Dimensional Computed Tomography Imaging and Treatment Planning, Seminars in Rad. Oncology, [5] Laura A. Dawson, David A. Jaffray, Advances in Image-Guided Radiation Therapy, Journal Of Clinical Oncology, volume 25, number 8, p , [6] Mariangela Massaccesi, Luciana Caravatta, Savino Cilla, Cinzia Digesù, Francesco Deodato, Gabriella Macchia, Vincenzo Picardi, Adele Piscopo, Gilbert DA Padula, Gabriella Ferrandina, Giovanni Scambia, Vincenzo Valentini, Numa Cellini, Angelo Piermattei, and Alessio G. Morganti. Tumori, 96: ,

40 [7] Remsouchamps VM, Letts N.Yan D, Vicini FA, Moreau M, Zielinski JA, Liang J, Kestin L.L, Martinez AA, Wong JW: Three-dimensional evaluation of intra- and interfraction immobilization of lung and chest wal using active breathing control: a reproducibility study with breast cancer patients. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 57: , [8] Stranzl H, Zurl B: Postoperative irradiation of left-sided breast cancer patients and cardiac toxicity. Does deep inspiration breath hold technique protect the heart? Strahlenther Onkol, 184: , [9] J. W. Wong, M. B. Sharp, D. A. Jaffray, V. R. Kini, J. M. Robertson, J. S. Stromberg, and A. A. Martinez, The use of active breathing control (ABC) to reduce margin for breathing motion, Int. J. Radiat. Oncol., Biol., Phys. 44(4), , [10] C. Ozhasoglu, C. B. Saw, H. Chen, S. Burton, K. Komanduri, N. J. Yue, S. M. Huq, D. E. Heron, Synchrony Cyberknife Respiratory Compensation Technology, Medical Dosimetry, Vol. 33, No. 2, pp , [11] Manuale d uso del Sistema Active Breathing Coordinator 2010 Elekta Limited. [12] Helen A.McNair, Juliet Brock, J. Richard N.Symonds-Tayler, Sue Ashley, Sally Eagle, Philip M.Evans, Anthony Kavanagh, Niki Panakis, Michael Brada. Radioterapy and Oncology 93 (2009) [13] McNair H. Feasibility of active breathing coordinator (ABC). Radiother Oncol 2006;81:S

41 [14] Pedersen AN, Korreman S, Nystrom H, Specht I: Breathing adapted radiotherapy of breast cancer: reduction of cardiac and pulmonary doses using voluntary inspiration breath-hold. Radiother Oncol, 72: 53-60, [15] Eccles C, Brock KK, Bissonnette JP, Hawkins M, Dawson I.A. Reproducibility of liver position using active breathing coordinator for liver cancer radiotherapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2006; 64: