METODI DI IMAGING DEL PAZIENTE RADIOTERAPICO IN PRESENZA DI MOVIMENTI D ORGANO

Transcript

1 METODI DI IMAGING DEL PAZIENTE RADIOTERAPICO IN PRESENZA DI MOVIMENTI D ORGANO Carlo Cavedon Unità Operativa di Fisica Sanitaria Azienda Ospedaliera Universitaria Integrata - VERONA Agenzia Provinciale per la Protonterapia Trento Trento, 17 giugno 2010

2 Background Rapida evoluzione delle tecniche di erogazione della terapia Guida da immagini Ipofrazionamento Risultati molto promettenti nella patologia polmonare Modalità di irradiazione non convenzionali: VMAT, SRS, SBRT, Tomotherapy, CyberKnife

3 Background evidenza clinica Ipofrazionamento => dose equivalente molto elevata Sopravvivenza globale 3 y 55.8% (95% C.I., 41.6%-67.9%) Ad es. 18 Gy x 3 vs 2 Gy x Significativo aumento di controllo locale e sopravvivenza in NSCLC non operabile (T1-T2N0M0) Significativo miglioramento in altre patologie polmonari Controllo locale 3 y 97.6% (95% C.I., 84.3%-99.7%) R Timmerman et al., Stereotactic Body Radiation Therapy for Inoperable Early Stage Lung Cancer, JAMA, 303(11 ), 2010 Frazionamento convenzionale: Sopravv. globale 3 y 20-35% Controllo locale 3 y 30-40%

4 Background evidenza clinica 55.8% 20-35% frazionamento convenz. - Tossicità più elevata (spec. localizzazioni centrali) - Necessaria migliore accuratezza spaziale (< 2 mm complessiva, 95% C.I.) - Ipofrazionamento => no effetto media su molte frazioni - Necessità di alta accuratezza sull imaging utilizzato per il trattamento

5

6

7 AAPM Report 91 Linee guida per la gestione del movimento respiratorio in radioterapia Tecniche di: inclusione della traiettoria del bersaglio nel PTV (motionencompassing) trattamento in apnea (breath-hold) respirazione superficiale forzata (forced shallowbreathing) irradiazione condizionata (respiratory-gated) irradiazione sincronizzata (respiraton-synchronized o tumor-tracking)

8 AAPM Report 91 Raccomandazioni per imaging pianificazione del trattamento irradiazione Limite empirico per la gestione esplicita del moto fissato a 5 mm di escursione totale, ma può essere più basso in funzione della capacità di risparmio dei tessuti sani

9 Movimento respiratorio riconosciuto come causa di incertezza comparabile o inferiore rispetto a: variazioni nella individuazione di GTV e CTV errori di posizionamento (setup) Inoltre una fonte di inaccuratezza è dovuta alla modifica del tumore e della zona circostante dovuta all effetto della terapia radiante o di terapie concomitanti (valido per frazioni multiple) Il movimento respiratorio varia di giorno in giorno per lo stesso paziente per cui in caso di terapia frazionata o di ritardo tra simulazione e trattamento il movimento deve essere rivalutato

10 Il metodo motion encompassing è incluso poiché molti centri non dispongono ancora di sistemi per la gestione esplicita del movimento respiratorio Il report 91 esclude volutamente tecniche non ancora attuate clinicamente La gestione del movimento respiratorio comporta in molti casi dose aggiuntiva riferimento al lavoro del Task Group 75 Terapie con particelle cariche non sono incluse ma viene ricordato che il movimento respiratorio comporta incertezze superiori al caso della terapia con fotoni a causa della variazione del range delle particelle

11

12 PROBLEMI LEGATI AL MOVIMENTO RESPIRATORIO Limitazioni nell acquisizione di immagini artefatti da movimento in CT

13 PROBLEMI LEGATI AL MOVIMENTO RESPIRATORIO Limitazioni nell acquisizione di immagini artefatti da movimento in CT Artefatti da movimento anche in altre modalità di imaging (ad esempio dispersione dell attività in PET, che sta diventando indagine di riferimento per NSCLC)

14

15 PROBLEMI LEGATI AL MOVIMENTO RESPIRATORIO Limitazioni nella pianificazione del trattamento necessità di margini e difficoltà di individuazione del margine ottimale in funzione delle diverse tecniche necessità di margini personalizzati Limitazioni nella erogazione del trattamento effetti di dispersione della distribuzione di dose (blurring) simile ad aumento della penombra per piani convenzionali gli effetti possono essere amplificati in caso di IMRT o di qualsiasi altra tecnica che preveda il raggiungimento di uniformità di dose attraverso irradiazioni parziali del bersaglio

16 CARATTERISTICHE E MISURA DEL MOVIMENTO RESPIRATORIO Qualsiasi sia la strategia utilizzata per il controllo del movimento respiratorio, è essenziale chiedere la collaborazione del paziente, istruirlo ed eventualmente utilizzare un ausilio di tipo audiovisivo

17 CARATTERISTICHE E MISURA DEL MOVIMENTO RESPIRATORIO Per la misura si possono utilizzare proiezioni ortogonali (buona risoluzione temporale) CT (buona risoluzione spaziale) 4DCT (compromesso tra risol. spaziale e temporale)

18 4DCT - Integrazione tra pianificazione e tracking in 4D - Serie 4DCT oppure N 2 volumi CT rappresentativi almeno di espirio e inspirio normali - Inaccuratezza in inspirio ed espirio forzato - Possibile inaccuratezza in condizione di breath holding rispetto alla condizione dinamica

19 METODI PER LA GESTIONE DEL MOVIMENTO RESPIRATORIO MOTION ENCOMPASSING Centri che non dispongono di sistema per la gestione esplicita del movimento respiratorio 3 tecniche possibili: CT a lenta acquisizione CT in apnea in fasi estreme (inspirio-espirio) 4DCT o CT sincronizzata al respiro Aumento di dose rispetto a CT singola di un fattore da 2 a 15 (a meno di non utilizzare sistemi di riduzione della dose, ad es. CT di base e serie temporale a bassa dose per ottenere mappa di deformazione da CT base a singolo istante)

20 Sistema motion encompassing - Bersaglio in max inspirazione ed espirazione - Inviluppo di tutte le posizioni (idealmente: convoluzione di una singola immagine del tumore con la traiettoria osservata) - Piano di trattamento su PTV allargato - Volume grande tempi di trattamento relativamente brevi

21

22

23 SISTEMI OTTICI - Tecnica stereoscopica - Registrazione di superficie trasf. rigida a 6 GDL - anche da dati CT - Vantaggi: - no dose => verifica intrafraz. - numero di punti di controllo - adatto a gating e tracking - Svantaggi: - no informazione anatomica sui tessuti profondi

24

25 CYBERKNIFE: Image Guided Robotic Radiosurgery Sistema Synchrony Correlazione tra punti interni (fiducial markers) visti con rx e punti esterni (led ottici) visti con telecamere Correzione della posizione del linac in tempo reale per compensare i movimenti respiratori Linac 6 MV Verifiche radiografiche: dose efficace dello stesso ordine di grandezza di una CT

26 Relazione tra segnale surrogato e posizione del tumore Tracking: registrazione di segnale surrogato in tempo reale stima della posizione del bersaglio per mezzo di relazione nota adattamento dei fasci in funzione della posizione stimata o predetta Assume relazione invariabile tra segnale surrogato e posizione del tumore Tracking diretto possibile ma problematico per dose da RX Tracking elettromagnetico

27 ESEMPIO DI ISTERESI DOVUTA A DIFFERENZA DI FASE TRA MARKER INTERNI ED ESTERNI Curvilinear Models Linear Model ModelType: 2 indicates a single curvilinear model ModelType: 22 indicate a dual curvilinear model ModelType: 1 indicates a linear model

28 RESPIRAZIONE IRREGOLARE ACCURATEZZA Necessità di PREDIZIONE della posizione del tumore a causa di ritardo intrinseco di retroazione Possibile inaccuratezza in caso di respirazione molto irregolare

29 SISTEMI DI TREATMENT TRACKING - Tracking di lesioni polmonari senza fiducial marker - basato su 2D-3D con pattern intensity - modello di correlazione LED immagine del tumore

30 Accuratezza spaziale - tracking 277 cgy/mm (bersaglio statico) Cyberknife: irradiazione statica 88 cgy/mm (bersaglio mobile no controllo movimento resp.) Cyberknife: senza controllo del movimento resp.

31 Accuratezza spaziale - tracking 277 cgy/mm (bersaglio statico) Cyberknife: irradiazione statica 273 cgy/mm (bersaglio mobile sistema motion tracking attivato) Cyberknife: tracking

32 Accuratezza spaziale - gating Sistema RPM bersaglio statico Sistema RPM bersaglio mobile - no controllo movimento resp.

33 Accuratezza spaziale - gating Sistema RPM bersaglio statico Sistema RPM bersaglio mobile gating attivato

34 SISTEMI DI TREATMENT TRACKING - Dynamic Multileaf Collimator (DMLC) - P Keall et al. (Stanford University) - Riduzione del PTV grazie a irradiazione dinamica - Necessita di tecniche di imaging per la sincronizzazione del moto

35 Gestione del movimento nel treatment planning Motion encompassing: fasi estreme del ciclo respiratorio (volumi grandi) Gating: fase singola (volumi piccoli tempo lungo) Tracking: fasi multiple generalmente non implementato nei moderni TPS Target tracking pianificato su immagine statica Incertezza sulla dose agli organi a rischio / strutture critiche Problema anche su gating

36 Gestione del movimento nel treatment planning Sn: calcolo di dose in 3D Dx: calcolo di dose in 4D (Accuray Cyberknife system)

37 Gestione del movimento nel treatment planning 0.3% 1.5% 11 Phases 6 Phases 11 Phases 2 Phases 2.0% 23% 11 Phases AVE Phase Courtesy Mihaela Rosu, Virginia Commonwealth Univ. 11 Phases - Exhale

38

39 MODALITÀ DI IMAGING E DOSI ASSOCIATE Cyberknife valori di riferimento pubblicati Novalis valori di riferimento pubblicati

40 MODALITÀ DI IMAGING E DOSI ASSOCIATE Sistemi kv montati su gantry Elekta (Synergy XVI) e Varian (On-Board Imager, OBI) Siemens Artiste (non incluso nel documento) 1-3 mgy per immagine in modalità radiografica modalità tomografica (cone-beam)

41 MODALITÀ DI IMAGING E DOSI ASSOCIATE Sistemi kv montati su gantry

42 MODALITÀ DI IMAGING E DOSI ASSOCIATE Sistemi MV: assunzione dose additiva da singole proiezioni

43 Imaging per le strutture critiche

44 Imaging per le strutture critiche Es.: plesso brachiale Maggiore integrazione multimodalità: spec. MR Possibile necessità di registrazione deformabile: solitamente non implementata nei TPS

45 Imaging per le strutture critiche Parenchima polmonare sano come struttura critica Difficoltà di registrazione deformabile Esempio di vincolo su J: D D T = I o J+1 = 0 ecc. Y Yin, EA Hoffman, CL Linb, Mass preserving nonrigid registration of CT lung images using cubic B- spline. Med. Phys. 36(9), (2009).

46 Uso di FDG-PET per il treatment planning 1. Valori soglia su SUV in funzione della dimensione della lesione 2. Dipendenza da rapporto sourceto-background 3. Dipendenza da movimento 4. Algoritmi diversi proposti no consenso AC Riegel, MK Bucci, OR Mawlawi, V Johnson, M Ahmad, X Sun, D Luo, AG Chandler, T Pan, Target definition of moving lung tumors in positron emission tomography: Correlation of optimal activity concentration thresholds with object size, motion extent, and source-to-background ratio. Med. Phys. 37(4), (2010).

47 Uso di FDG-PET per il treatment planning PET-CT big bore Controllo del movimento respiratorio (es. Real-time Position Management RPM) PET-CT respiratory gating (4DPET) 4DCT: utilizzabile per produrre 4DPET?

48 Uso di FDG-PET per il treatment planning Sopra: FDG-PET immagine senza controllo movimento resp. Sotto: Fasi di massimo inspirio e massimo espirio Aumento di rumore in 4D

49 Uso di FDG-PET per il treatment planning 1. Mappa di deformazione da CT ridondante a volumi singoli in 4DCT 2. Applicazione della mappa di deformazione al volume PET 3. Generazione di 4DPET virtuale con informazione temporale e alto SNR Deformazione PET ottenuta da dati 4DCT 4DPET virtuale C Cavedon et al. Building a PET time series using information from 4DCT data, Medical Physics (33), M Riboldi et al., Virtual 4D-PET acquisition by means of deformable image registration: a feasibility study". Accepted at ESTRO 29, 2010.

50 Identificazione dei margini Nonostante linee guida internazionali, diversi approcci ai margini nei volumi di riferimento Esempi di institution-appropriate error margins riportati in letteratura Variabilità tra tecnologie, tra centri e tra utilizzatori

51 Conclusioni punti che richiedono ulteriore ricerca Report of AAPM Task Group 76 Recommendations for further investigation Changes in respiratory patterns between treatment simulation and treatment; relationship between respiration signals and tumor motion and changes in this relationship throughout a course of radiotherapy; tumor deformation from cycle to cycle and day to day; new imaging methods at treatment to directly detect tumor positions or to verify the relationship between respiration signals and tumor motion; methods, such as audiovisual feedback, that can improve respiration reproducibility throughout the course of radiotherapy; effects of cardiac and gastrointestinal motion on thoracic radiotherapy. relationships between normal tissue and tumor motion; more accurate determination of the magnitude of respiratory motion that should be explicitly;

52 Conclusioni punti che richiedono ulteriore ricerca Report of AAPM Task Group 76 Recommendations for further investigation optimal respiratory motion management; respiratory motion patterns and treatment implications in children and young adults; robust deformable image-registration algorithms to facilitate dose accumulation due to anatomy deformation; treatment-planning solutions that can be integrated into commercial treatmentplanning systems; appropriate margin formalisms including respiratory motion for the various respiratory motion management strategies; deformable phantoms to which anatomically accurate respiratory motion can be applied; analysis of clinical outcome data in the presence of respiratory motion and other errors.