Realizzazione di una radioterapia

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2 Realizzazione di una radioterapia localizzazione del Tumore Immobilizzazione del paziente posizionamento del paziente Quality assurancê & Verifica Imaging Calcolo del piano di trattamento Trattamento

3 Immobilizzazione Il design e la tecnica d immobilizzazione sono legati alla localizzazione del tumore e al tipo di sorgenti di errori dovuti al tipo di zona trattata. Definizione dei volumi Target => Volumi di riferimento GTV gross tumor volume : volume e localizzazione visibile delle cellule maligne CTV clinical target volume: tiene conto delle propaggini microscopiche PTV planning : incorpora i margini associati a incertezze nella determinazione del CTV, posizionamento, movimenti del paziente durante l irradiazione

4 Sorgenti di errore Le possibili sorgenti di errore sono classificate principalmente in due categorie: Setup e posizionamento. Movimento degli organi. Le tecniche d immobilizzazione devono assicurare che il CTV sia ben localizzato nel PTV durante l intero trattamento (tutte le frazioni). Una buona definizione dei margini di errore nel posizionamento e nei possibili movimenti (respiratori ) durante il trattamento è di grande importanza nel prevedere le correzioni del piano di trattamento e nel rispettare le norme della quality assurance.

5 Tecniche d imobilizzazione Stereotassi: Fissaggio con anello Fissaggio con maschera termoplastica 9 Occhio: maschera altro: tecnica del vuoto.

6 Imaging for Therapy (1) Definizione dell utilità dell imaging per terapia. Quando il paziente è ben immobilizzato, l immagine per la pianificazione del trattamento è necessaria. La scelta dipende dalle caratteristiche dei volumi bersaglio (GTV, CTV e PTV) e dalle condizioni cliniche del paziente

7 3. Un modello tri-dimensionale dell anatomia del paziente è richiesto per il posizionamento dello stesso. Spesso servono punti di riferimento sulla maschera del paziente per collegare il modello 3D della TAC con il resto (lettino, accesso, fascio...) Imaging for Therapy (2) Le immagini per la pianificazione della terapia servono per i motivi seguenti: 1. Distinguere il volume target e gli organi a rischio è il principale scopo dell acquisizione delle immagini per terapia. Basandosi sul modello tri-dimensionale ricostruito dell anatomia del paziente, la direzione del fascio viene ottimizzata per trovare un compromesso fra la copertura del tumore con una dose massima e il risparmio degli organi a rischio vicini. 2. Nella maggior parte dei casi la dose è calcolata basandosi sui dati desunti dalla TAC dei volumi d interesse. Calcolando la distribuzione di dose nelle diverse regioni si può valutare la qualità del piano di trattamento in 3D.

8 CT (TAC)..

9 .

10 Pianificazione del trattamento (1) Lo scopo della pianificazione del trattamento in 3D è la valutazione ed ottimizzazione di strategie alternative di trattamento prima della sua realizzazione, per individuare il TPS tridimensionale, ottimale per il paziente.

11 Pianificazione del trattamento (2) Per un ottimale TPS tridimensionale occorre valutare correttamente le relazioni geometriche individuali fra il volume bersaglio e gli organi a rischio. Basandosi su di un modello tridimensionale dell anatomia del paziente, le forme dei fasci (beam portals) possono essere esattamente adattate alla forma del volume bersaglio.

12 Pianificazione del trattamento (3) In questa maniera, tenendo conto anche della diversa radiosensibilità delle differenti strutture anatomiche/funzionali, è possibile minimizzare la dose deposta nel tessuto sano.

13 Informazioni sul paziente Anatomia e distinzione del target Registrazione CT/MRI Definizione dei V.O.I, CT 3D reconstruction Prescrizioni Ottimizzazione: Tecniche utilizzate. Modello adottato. Parametri ad ottimizzare. Visualizazione dei risultati: => Calcolo della dose ottimizzata. Diverse tappe della pianificazione di trattamento: -Informazioni sul paziente -Tipo di tumore e prescrizioni -Calcolo della dose finale

14 Ricostruzione tridimensionale (1) La procedura per distinguere i volumi di interesse dal fondo si chiama segmentazione. I metodi di segmentazione basati solamente sulle informazioni presenti in ciascuna fetta CT/MRI del paziente sono chiamate 2Dsegmentation. Se vengono usate informazioni provenienti da più fette sia in presenza di 3D-segmentation. Nei TPS la segmentazione è fatta per individuare: 1) il PTV; 2) gli organi a rischio; 3) il contorno della superficie del corpo del paziente. 16

15 Ricostruzione tridimensionale (2) I differenti TPS utilizzano varie tecniche di Computer-Aided Tumor Segmentation, che possono essere divise in due categorie a) algoritmi semiautomatici; b) algoritmi completamente automatici. Tutti gli algoritmi di segmentazione, in funzione di come cercano le strutture, possono essere classificati come basati 1) sulle ROI; 2) sulla rivelazione dei contorni.

16 Gradient image of a CT image to distinguish different structures. 17 After a Full 3D reconstruction it is important to define different Volumes of Interest => see next slide

17 Definizione dei VOI (Volumes Of Interest) I contorni di diversi volumi di interesse e particolarmente del volume tumorale, vengono definiti punto per punto su ogni sezione della TAC per poter definirli con precisione in 3D.

18 TP notion: BEV (Beam s Eye View) Vista cranio-caudale 19 Le direzioni corrette di irraggiamento posso essere trovate interattivamente con il BEV. Usando questa tecnica il radioterapista vede il modello 3D delle superfici dal punto di vista della sorgente di radiazione. In questa maniera è immediatamente chiaro quali siano le strutture colpite dalla radiazione ed è possibile conformare il fascio alla forma del volume bersaglio. Per realizzare beam portals di forma irregolare si usano particolari collimatori (collimatori lamellari). BEV

19 3D patient model (1) Starting from the position of the radiation source, the algorithm traces a bundle of beams through an image cube, until a specified projection plane is reached (i.e., the film position). To simulate therapy exactly, a computer program needs a precise description of an individual patient's anatomy. Mostly these models are based on image sequences, which are acquired with modern three- dimensional imaging devices (CT, MR, PET). The two-dimensional tomographs can then be combined to form a three-dimensional image cube by the planning program. For threedimensional radiotherapy planning, image sequences acquired with a CT scanner are of particular relevance. This imaging modality is robust, geometrically correct, and the intensity values allow the calculation of tissue density which is a pre-requisite for the exact calculation of the spatial dose distributions. That means it is possible to generate artificial X-ray images, so called "Digital Reconstructed Radiographs" (DRRs), from arbitrary directions.. r sity on the 20

20 3D patient model (2) During image acquisition, X-Rays are absorbed differentially according to tissue density. Structures with high density (bones) absorb more of the intensity of the ray. That means, the intensity incident on the film is low, resulting in a low optical density on the film (bright). Water, fat, muscle tissue or air abso b only a small amount (or none) of the incident intensity. A higher intensity results in a high optical den film (dark or black). To calculate such "artificial" images (DRRs), ray tracing algorithms are used.

21 Metodi di calcolo di un piano di trattamento ed ottimizzazione di dose Forward planning (see dose calculation) Monte Carlo simulation (see dose calculation) Inverse planning Mathematics and numerical tools for inverse planning. Big variety of algorithm already exciting: conjugate Gradient minimization; quasi Newton minimization; simulated annealing minimization. All to resolve a simple linear system (see next slide).

22 Inverse planning Problema generale per la determinazione della dose nel voxel i,j,k: Di, j, k = n fn E (n i, ) j,k (n) E i, j,k dove: energia depositata => D i,j,k f n dose prescritta dal medico (dose richiesta) fluenza del fascio n

23 Il problema dell ottimizzazione => Number of beams, => Radiation modality (photons, electrons), => Beam energy. o Big variety of algorithm already exciting: o Conjugate Gradient minimization. o Quasi Newton minimization. o Simulated annealing minimization.

24 Confronto fra dose ottimizzata manualmente e dose ottimizzata con un algoritmo di inverse planning. 24

25 Calcolo di dose finale Metodo analitico Modelli standard per fotoni: Il modello detto fenomenologico e basato su una parametrizzazione completa di distribuzioni di dose misurata => dose in profondità per diverse energie, per di diverse dimensioni di campo, profili laterali di dose, effetto dei collimatori... I maggiori problemi per questo metodo derivano dalle disomogeneità. Modello del pencil beam per elettroni: Gli algoritmi sono simili a quelli per i fotoni, solo che per gli elettroni, la risoluzione del problema della diffusione necessita di algoritmi più fini. Il modello del pencil beam è un modello che suddivide il fascio in una serie di singoli fasci elementari di 1 3 mm. Questo permette di includere nei calcoli il fenomeno della diffusione laterale dei fasci di elettroni. I dati per l energia depositata in profondità sono presi in acqua.

26 Metodo MonteCarlo Il metodo Monte Carlo permette di seguire i processi in scala microscopica. Tutti processi fisici per fotoni od elettroni sono ben definiti. Il trasporto e la creazione delle particelle (γ, e) sono simulati come processi stocastici nei punti di interazione. Le disomogeneità del volume globale sono considerate nella simulazione. Questo permette una migliore stima dell energia depositata e quindi della distribuzione di dose. Il grande difetto delle simulazioni Monte Carlo e che sono molto lunghe e questo, di fatto, ne esclude l uso nella routine clinica per il calcolo dei piani di trattamento. L utilità del MC sta nella verifica e nella sperimentazione.

27 Valutazione 3D e Istogrammi dose-volume (DVH) DVH diferenziale DVH cumulativo 27

28 Curve di isodose di un campo singolo SSD e SAD Variazione della dose nel volume trattato ~20% Dose a d m ~45% della dose al tumore: per dare 60 Gy al tumore, la pelle riceve 86 Gy, al di sopra del limite accettabile. Problemi con la dose agli OAR: midollo spinale.

29 Angolo di incidenza del fascio, irregolarita della superficie, disomogeneita

30 Curve di isodose due campi contrapposti SSD e SAD

31 Curve di isodose Campi multipli 31

32 Energia media alla superficie: Irradiazione con elettroni E 0 = (2.33MeV / cm)r 50

33 Curve di isodose elettroni

34 Disomogeneità - elettroni

35 Trattamento - elettroni 35

36 Riassumendo (1) Immobilizzazione del paziente&localizzazione del tumore Si individuano i tre volumi: GTV (volume e localizzazione visibile delle cellule maligne) CTV (localizzazione delle propaggini microscopiche del tumore) PTV (volume da irraggiare contenente CTV e che tiene conto dei movimenti del paziente). Le tecniche d immobilizzazione devono assicurare che il CTV sia ben localizzato nel PTV durante tutte le frazioni del TPS. Imaging Distinguere il volume target e gli organi a rischio è il principale scopo dell acquisizione delle immagini per terapia. In più un modello 3D del paziente serve per il suo posizionamento prima del TPS. Spesso servono punti di riferimento sulla maschera del paziente per collegare il modello 3D della TAC con il resto (lettino, accesso, fascio...)

37 Riassumendo (2) Calcolo del TPS Lo scopo principale è la valutazione ed ottimizzazione di strategie alternative di trattamento prima della sua realizzazione, per individuare il TPS tridimensionale, ottimale per il paziente. La segmentazione delle immagini per distinguere i volumi di interesse dal fondo. Individuazione delle direzioni corrette di irraggiamento con il BEV e determinazione dei beam portals. Lungo tali direzioni si generano, dalle immagini 3D, radiografie artificiali: Digital Reconstructed Radiographs" (DRRs). Da queste si calcolano le densità e quindi le masse da irraggiare e per mezzo dell Inverse Planning si calcolano le energie e fluenze dei fasci per ottenere la dose richiesta dal radioterapista in ogni voxel. Si utilizzano energie e fluenze per simulare la deposizione di dose.

38 Riassumendo (3) Posizionamento del paziente Si posiziona il paziente per il trattamento utilizzando tutte le informazioni geometriche ottenute dal calcolo del TPS. Esecuzione del TPS Si eseguono le prescrizioni prodotte dal calcolo in termini di energie e fluenze dei fasci, movimenti della testa dell acceleratore, posizionamento dei collimatori ed eventuali movimenti del lettino. Durante l esecuzione vengono raccolti tutti i dati sperimentali disponibili: fluenze prima e dopo, dosi sui punti di riferimento, misure di posizione, ect.. Verifica Si confrontano tutti dati acquisiti durante l esecuzione con le prescrizioni prodotte dal calcolo e si valuta l accuratezza del trattamento.