LA TOTAL BODY IRRADIATION

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1 GR Liguria Dott. Stefano Agostinelli S.C. Fisica Medica Istituto Nazionale per la Ricerca sul Cancro Seminari di Fisica in Radioterapia Genova, 25 marzo 2011 LA TOTAL BODY IRRADIATION

2 Argomenti Introduzione alla Total Body Irradiation (TBI) Il trattamento TBI presso l IST di Genova Sistema di calcolo e dosimetria Dosimetria in-vivo

3 Introduzione alla TBI Dove trova applicazione? Regime di condizionamento pre-trapianto allogenico o autologo di stem cells emopoietiche (HCT) Lo scopo è triplice: Citoablativo (eradicazione residuo neoplastico) Immunosoppressivo (GVDH) Mieloablativo (azzerrare il sistema emopoietico per consentirne il ripopolamento)

4 Introduzione alla TBI Rapporto ISTISAN 02/39 TBI mieloablativa (dose sovraletale: 7-16 Gy) TBI non-mieloablativa (dose 2 Gy seduta unica) TBI citoablativa (1-1,5 Gy frazionati)

5 Introduzione alla TBI Patologie trattate (anni 2000): Leucemia Mieloide Acuta/Cronica (LMA/LMC) Leucemia Linfatica Acuta (LLA) Malattie autoimmuni (es. Sclerodermia) Linfomi (HD o NHL) Mieloma multiplo (MM) Mielodisplasia Anemia aplastica Tumori solidi

6 Scheduling Seduta unica TBI non-mieloablativa (mini-tbi) TBI mieloablativa (es. 8 Gy) per HCT allogenico Frazionato 2 Gy 2/die 3 gg (schema di Seattle) 3.3 Gy 3 gg 3.8 Gy 3 gg Altri... (es o 2.25 Gy 2/die 3 gg) Boost su testicoli per pz. con LLA (4 Gy 1 o 2 Gy 3)

7 Scheduling Int J Radiat Oncol Biol Phys Mar 15;49(4): Total body irradiation before allogeneic bone marrow transplantation: is more dose better? Bieri S, Helg C, Chapuis B, Miralbell R. In conclusion, for 3-day bifractionated regimens, increasing the TBI dose above 10 Gy is not necessarily associated with a better outcome in patients undergoing allogeneic BMT for hematologic malignancies. The suggestion that higher TBI dose may even be deleterious remains to be confirmed by prospective studies. This may be particularly relevant for patients older than 40, in whom a greater risk of dying after BMT was observed.

8 Scheduling Strahlenther Onkol Nov;182(11): Biologically effective dose in total-body irradiation and hematopoietic stem cell transplantation. Kal HB, Loes van Kempen-Harteveld M, Heijenbrok-Kal MH, Struikmans H. High BED values appear to cause less leukemia relapses and a higher disease-free and overall survival. With highly fractionated schemes a high BEDleukemia can be obtained.

9 Tecnica di irradiazione Volume bersaglio: intero corpo Organi a rischio (primari) Polmoni ++++ Reni + Organi a rischio (secondari) Cuore Cristallini Fegato Ovaio Altri...

10 Tecnica di irradiazione J Med Phys Jan;31(1):5-12. Whole body radiotherapy: A TBI-guideline. Quast U. LF AP-PA LF LL Multi-fields Sweeping

11 Tecnica di irradiazione Tecnica Large Field (LF) AP-PA Pz in posizione eretta o semi-eretta (possibile anche su fianco) Fasci orizzontali contrapposti cm DSA (Distanza Sorgente Asse pz) 4 m Richiede quindi treatment room di grandi dimensioni DSA

12 Tecnica di irradiazione

13 Tecnica di irradiazione

14 Tecnica di irradiazione Tecnica LF AP-PA Se la treatment room non è molto grande (DSA 4 m) può essere necessario ruotare il collimatore a 45 ( 1.4)

15 Tecnica di irradiazione Tecnica LF AP-PA Dopo il campo AP si ruota il pz e si esegue il campo PA, mantenendo la stessa DSA DSA

16 Tecnica di irradiazione Tecnica LF Latero-Laterale (LL) Per treatment room di medie dimensioni (DSA 3-4 m) pz su lettino in posizione semi-seduta Per room di grandi dimensioni (DSA 4 m) pz sdraiato su lettino Fasci orizzontali contrapposti cm (collimatore 45 ) Si esegue prima un lato e poi l altro dopo aver girato il pz

17 Tecnica di irradiazione Tecniche non-lf Usano la sovrapposizione di più campi AP-PA (LINAC convenzionale) Sfruttano anche il movimento del lettino (macchine dedicate o LINAC modificato) Tecniche rotazionali ad isocentri multipli o elicoidali (Tomotherapy) Pro/Contra non-lf Possibile maggiore risparmio OR e migliore omogeneità Dose rate molto più alto (DSA<), ma tempo effettivo di trattamento? Giunzioni Pianificazione molto più complicata Tempo di trattamento?

18 Tecnica di irradiazione Med. Phys. 36 (8), August 2009 Commissioning and evaluation of an extended SSD photon model for PINNACLE3: An application to total body irradiation Marie-Claude Lavallée, Luc Gingras et al.

19 Tecnica di irradiazione Rapporto ISTISAN 02/39 Risulta consigliata...la irradiazione AP-PA... Pro AP-PA Spessore corpo minore e ± omogeneo nei vari distretti (testa, collo, torace, addome, arti) fascio 6X e migliore omogeneità distribuzione di dose Facile posizionare schermature addizionali possibile risparmiare OR (polmoni) Contra AP-PA Posizione di trattamento (eretta) scomoda

20 Tecnica di irradiazione Rapporto ISTISAN 02/39 Risulta consigliata...la irradiazione AP-PA... Pro LL Posizione di trattamento comoda Contra LL Spessore corpo maggiore e poco omogeneo (grossa sovradose a testa e collo) fascio >10X e scarsa omogeneità distribuzione di dose Non possibile schermare OR non possibile risparmiare polmoni

21 Tecnica di irradiazione Rapporto ISTISAN 02/39 Risulta consigliata...la irradiazione AP-PA...

22 Tecnica di irradiazione Sintesi (trattamento LF) TBI alte dosi frazionata (bunker ampio) AP-PA con schermature polmonari Se possibile posizione eretta (altrimenti decubito laterale) TBI alte dosi frazionata (pediatrico in anestesia) Corpo bambini piccoli omogeneo LL con 6X Bambino supino in posizione raccolta TBI basse dosi frazionata o seduta singola Basse dosi omogeneità non così importante LL con >10 X Pz supino in posizione raccolta o estesa

23 Tecnica di irradiazione in IST TBI con LF AP-PA o LL TBI alte dosi frazionata (bunker ampio) 2 Gy x 2/die x 3 gg oppure 3.3 Gy x 3 gg AP-PA con fascio 6X e schermature polmonari Posizione semi-eretta TBI alte dosi frazionata (pediatrico in anestesia) LL con fascio 6X, se possibile schermatura cristallino Bambino supino in posizione raccolta in culla TBI basse dosi seduta singola Tipicamente 2 Gy x 1 LL con fascio 15X e compensazione dose al testa-collo Pz supino in posizione semi-raccolta

24 Il fattore dose-rate Razionale Numerosi studi hanno evidenziato che le tossicità ai OR (polmoni, reni, cristallini) dipendono dal frazionamento e dal dose-rate Br J Cancer Jun 1;90(11): Total body irradiation and pneumonitis risk: a review of outcomes. Carruthers SA, Wallington MM. A higher TBI dose rate has been shown to be an adverse prognostic factor for developing IP. The use of fractionated TBI at a dose rate of 7.5 cgy/min or less rather than 15 cgy/min is recommended (NB: gli autori hanno considerato irradiazione LL con lung dose 12 Gy)

25 Il fattore dose-rate Rapporto ISTISAN 02/39 Frazionamento della dose ( Gy) dose-rate < cgy/min Somministrazione di dose singola (10 Gy low dose-rate) dose-rate <5 cgy/min Mini-TBI: 2 Gy in seduta unica dose-rate < 10 cgy/min

26 Il fattore dose-rate Il dose-rate effettivo nel pz è determinato da: DSA Repetion Rate del fascio (es. 200 MU/min) Presenza di attenuatori/compensatori Dimensioni pz

27 Il beam spoiler Si tratta di uno schermo in PMMA di circa 1 cm di spessore È utile per superficializzare la distribuzione di dose in quanto produce una componente aggiuntiva di scatter che aumenta la dose di ingresso Lo schermo deve essere posto in prossimità del pz (10-30 cm)

28 Il beam spoiler Si tratta di uno schermo in PMMA di circa 1 cm di spessore È utile per superficializzare la distribuzione di dose in quanto produce una componente aggiuntiva di scatter che aumenta la dose di ingresso 6MV - schermo a 15 cm Ravichandran R, et al., Beam configuration and physical parameters of clinical high energy photon beam for total body irradiation (TBI), Physica Medica (2010)

29 Il beam spoiler Si tratta di uno schermo in PMMA di circa 1 cm di spessore Bisogna valutarne l attenuazione (in genere dell ordine del 5%) Influenza la qualità del fascio (dosimetria assoluta?) Ravichandran R, et al., Beam configuration and physical parameters of clinical high energy photon beam for total body irradiation (TBI), Physica Medica (2010)

30 Dose ai polmoni Polmoni OR più critico in TBI ad alte dosi (polmonite interstiziale) Rischio con il dose-rate (> 7.5 cgy/min secondo Carruthers et al.) Rischio sembra essere + alto per le TBI alta dose in singola seduta Rapporto ISTISAN 02/39 Sia con gli schemi in dose singola che iperfrazionata la dose al polmone dovrebbe essere contenuta al 75-80% della dose totale, anche se in due grandi Centri (Seattle e Glasgow) nei quali non è seguito tale approccio non è stata descritta un incidenza di polmonite più elevata...gli schermi potrebbero pertanto essere usati per dare al polmone una dose equivalente a quella somministrata al resto del corpo...

31 Dose ai polmoni Polmoni OR più critico in TBI ad alte dosi (polmonite interstiziale) Rischio con il dose-rate (> 7.5 cgy/min secondo Carruthers et al.) Rischio sembra essere + alto per le TBI alta dose in singola seduta J Med Phys Jan;31(1):5-12. Whole body radiotherapy: A TBI-guideline. Quast U. Considering the increase in dose due to the low lung density and due to scatter radiation from surrounding tissues, the lung shields have to reduce the primary radiation fluence locally by 60-70%...

32 Dose ai polmoni Polmoni OR più critico in TBI ad alte dosi (polmonite interstiziale) Clinical Oncology and Cancer Research, Volume 6, Number 1, Study on fractionated TBI before hematopoietic stem cell transplantation Tong Fang, Bo Liu and Hong Gao. It is not a linear correlation that between the lungs injury and the reception dose, and exist a critical value between them. Keane proved a fact that the threshold dose of IP is 7.5 Gy when absorbed dose rate is 0.5~4Gy/min and the incidence rate of IP add up to 50% when 9.3 Gy. In the low dose rate (1~5 cgy/min) instance, the threshold of IP could be increased to 9 Gy

33 Dose ai polmoni Compensazione Si compensa la minore densità dei polmoni Senza compensazione la dose ai polmoni è + alta di quella ricevuta dal tessuto Schermatura Si aggiunge alla compensazione Serve a ridurre la dose ai polmoni rispetto a quella impartita al tessuto

34 Dose ai polmoni Schermatura/compensazione AP-PA spessori (qualche mm) sagomati di Pb LL utilizzo delle braccia a coprire i polmoni

35 Schermi polmonari Margine

36 Sistema di calcolo Rapporto ISTISAN 02/39 Lo scopo di ogni tecnica è quello di ottenere una uniforme distribuzione di dose nel corpo intero, con variazioni comprese tra ± 10% rispetto alla dose data al punto di riferimento Il set-up del trattamento deve tener conto dello spessore alla midline addominale (ombelico) per il calcolo delle Unità Monitor (UM), degli spessori nei diversi distretti corporei per la determinazione delle disomogeneità di dose e la definizione dell impiego di compensatori, dello spessore e densità del polmone, determinati alla TC, per il calcolo dello spessore degli schermi polmonari.

37 Sistema di calcolo J Med Phys Jan;31(1):5-12. Whole body radiotherapy: A TBI-guideline. Quast U. The dose reference point (+) for dose specification to the target is defined at mid abdomen at the height of the umbilicus. The dose reference points ( ) for lung dose specification are defined as mid points of both lungs

38 Sistema di calcolo J Med Phys Jan;31(1):5-12. Whole body radiotherapy: A TBI-guideline. Quast U. The spatial distribution of dose in the target can be characterized by the DVH or by determining the dose at the specification point and the dose variation in the target (DRef, Dmin, Dmax). This triplet of values can be derived from the longitudinal homogeneity of dose (at selected points ( ) along the midline)

39 Sistema di calcolo Obiettivi 1. PD all emispessore dell addome (ombelico) 2. Valutazione dose all emispessore di torace, collo, testa ( ) con uniformità entro il ± 10% 3. Valutazione della compensazione/schermatura per i polmoni

40 Sistema di calcolo Modello dosimetrico Taratura del fascio Curve di dose in profondità (PDD/TMR) Profili del fascio Fattori di scatter Scatter dalle pareti e dal pavimento Attenuazione del beam spoiler Questi parametri dovrebbero essere valutati alla DSA

41 Sistema di calcolo Taratura del fascio Dosimetria assoluta con c.i. secondo protocollo (es. IAEA) Condizioni non standard (DSA, campo magnum, spoiler) K Q è lo stesso che a SAD? Ravichandran R, et al., Beam configuration and physical parameters of clinical high energy photon beam for total body irradiation (TBI), Physica Medica (2010) 6MV

42 Sistema di calcolo Taratura del fascio Dosimetria assoluta con c.i. secondo protocollo (es. IAEA) Condizioni non standard (DSA, campo magnum, spoiler) K Q è lo stesso che a SAD? Ravichandran R, et al., Beam configuration and physical parameters of clinical high energy photon beam for total body irradiation (TBI), Physica Medica (2010) K Q inoltre dipende piuttosto debolmente dalla qualità del fascio per cui risulterà molto vicino a quello ottenuto a SAD

43 Sistema di calcolo Taratura del fascio Dosimetria assoluta con c.i. secondo protocollo (es. IAEA) Condizioni non standard (DSA, campo magnum, spoiler) K Q è lo stesso che a SAD? Altri fattori correttivi (K pol e K s ) sono gli stessi? In teoria non è proprio detto...ma se si utilizza una c.i. di ampie dimensioni (es. Farmer 0.6 cc) non dovrebbe esserci nessun problema... conviene comunque appurare l influenza del cavo in considerazione della lunghezza irradiata

44 Sistema di calcolo Modello dosimetrico Taratura del fascio Curve di dose in profondità (PDD/TMR)... Ravichandran R, et al., Beam configuration and physical parameters of clinical high energy photon beam for total body irradiation (TBI), Physica Medica (2010) 6MV

45 Sistema di calcolo Modello dosimetrico Taratura del fascio Curve di dose in profondità (PDD/TMR)... Ovviamente non banale misurare la PDD a DSA Fantocci ad acqua dedicati per fasci orizzontali In alternativa misura a punti in fantoccio plastico di dimensioni generose (o ponendo nelle vicinanze dei corpi diffondenti) Pellicole? Array di diodi?

46 Sistema di calcolo Modello dosimetrico Taratura del fascio Curve di dose in profondità (PDD/TMR) Profili del fascio... Utili per valutare la dose ai punti di interesse ( ) Anche qui non banale Misura a punti in fantoccio Estrapolazione da profili a SAD Pellicole? Array di diodi?

47 Sistema di calcolo Modello dosimetrico Taratura del fascio Curve di dose in profondità (PDD/TMR) Profili del fascio Fattori di scatter... Lo scatter non dipende dalla dimensione campo (che è fissa) ma dalle dimensioni del paziente (distretto) Scp = Sc(40) Sp(pz) Sp dipendono solo dall energia del fascio per cui indicativamente dovrebbero essere gli stessi che a SAD, altrimenti misure con fantocci di varie dimensioni

48 Sistema di calcolo Modello dosimetrico Taratura del fascio Curve di dose in profondità (PDD/TMR) Profili del fascio Fattori di scatter Scatter dalle pareti e dal pavimento... Valutazione necessaria solo se devo spostare il paziente più o meno vicino a pareti e altri corpi diffondenti e voglio riutilizzare le misure fatte in altre condizioni

49 Sistema di calcolo Modello dosimetrico Taratura del fascio Curve di dose in profondità (PDD/TMR) Profili del fascio Fattori di scatter Scatter dalle pareti e dal pavimento Attenuazione del beam spoiler Possiamo valutarla con c.i. in fantoccio o in aria

50 Sistema di calcolo in IST Vengono prese misure paziente con pelvimetro in 3 distretti (addome, torace, testa) PD è riferita all emispessore dell addome Pz obesi:pd riferita all emispessore medio di addome e torace Si valuta la dose ricevuta da testa e torace. In particolare se dose testa > % PD si compensa: chiudendo il campo di irradiazione all altezza del collo per parte del trattamento (per TBI AP-PA) inserendo un blocco (testa-collo) in testata per parte del trattamento (per TBI LL)

51 Sistema di calcolo in IST Schermature polmonari (TBI AP-PA) Pz esegue TC del distretto toracico per valutare spessore e densità dei polmoni Pz esegue lastra di centraggio su LINAC nella posizione di trattamento sulla base di cui vengono tagliate le sagome di Pb dei polmoni Schermatura oltre a compensare riduce la dose ai polmoni del 10% (lung dose 10 Gy)

52 Sistema di calcolo in IST

53 Sistema di calcolo in IST

54 Dosimetria in-vivo Rapporto ISTISAN 02/39 Un metodo prevede la determinazione delle UM mediante precisi modelli e algoritmi di calcolo previsionali e, successivamente, la verifica sperimentale della dose assorbita nel punto di riferimento mediante la dosimetria in vivo. Un altro metodo prevede il calcolo previsionale (stima indicativa) delle UM e un controllo durante il trattamento della dose assorbita mediante dosimetria in vivo in alcuni punti del corpo del paziente fino al raggiungimento del valore della dose assorbita prescritta.

55 Dosimetria in-vivo Rapporto ISTISAN 02/39 la dosimetria in vivo deve essere prevista non solo come una semplice procedura di verifica ma come parte integrante del trattamento stesso la dosimetria in vivo permette un controllo diretto del trattamento radiante dando la possibilità di modificare il numero di UM impostate al LINAC per l irradiazione del paziente in seguito al confronto tra il valore della dose assorbita misurata e il valore della dose assorbita prescritta nel punto di riferimento

56 Dosimetria in-vivo Dosimetri per dosimetria in-vivo TLD lettura indiretta e laboriosa MOSFET lettura diretta, piccoli, bassa attenuazione, vita breve DIODI lettura diretta, piccoli, vita lunga, accumulo dose

57 Dosimetria in-vivo Per ogni distretto che si vuole investigare si pone un dosimetro in ingresso ed un dosimetro in uscita ESTRO Booklet 1 (revised 2005) METHODS FOR IN VIVO DOSIMETRY IN EXTERNAL RADIOTHERAPY Jan VAN DAM, Ginette MARINELLO ESTRO Booklet 5 (2001) PRACTICAL GUIDELINES FOR THE IMPLEMENTATION OF IN VIVO DOSIMETRY WITH DIODES IN EXTERNAL RADIOTHERAPY WITH PHOTON BEAMS (ENTRANCE DOSE) DOMINIQUE HUYSKENS, RIA BOGAERTS et al.

58 Dosimetria in-vivo

59 Dosimetria in-vivo in IST Utilizziamo diodi PTW con elettrometro Multidos Diodi Si p-type di area sensibile circolare 1 mm 2 T60010M (gialli) per X < 13 MV con build-up intrinseco (Pb) di 2 g/cm 2 T60010H (rossi) per X< 25 MV con build-up intrinseco (W) di 3 g/cm 2 Attenuazione: 4-6% Sistema supporta fino a 12 diodi (noi ne abbiamo 2)

60 Dosimetria in-vivo in IST Utilizziamo diodi PTW con elettrometro Multidos Risposta tipica: 240 nc/gy Leakage molto basso: < 100 fa Leakage cavo: < 10 pc/gy cm Dipendenza angolare contenuta (per obliquità entro ±60 variazione entro il ±5% per il modello M ed entro il ±2% per il modello H) D/R supportati: Gy/min Dipendenza dal D/R migliore dello 0.5% Variazione con la temperatura minore di 0.15% / K

61 Dosimetria in-vivo in IST Utilizziamo diodi PTW con elettrometro Multidos 1 diodo ingresso addome + 1 diodo uscita addome Mexit Mentrance

62 Dosimetria in-vivo in IST Utilizziamo diodi PTW con elettrometro Multidos. ciascun diodo è calibrato in condizioni TBI sia in ingresso che in uscita se voglio inoltre misurare la dose in corrispondenza dei polmoni devo fare calibrazione ad-hoc (presenza blocchi) AAPM REPORT NO. 8 DIODE IN VIVO DOSIMETRY FOR PATIENTS RECEIVING EXTERNAL BEAM RADIATION THERAPY Report of Task Group 62 of the Radiation Therapy Committee February 2005 Radiotherapy and Oncology 38 (1996) Calibration of semiconductor detectors for dose assessment in total body irradiation N. Jornet, M. Ribas, T. Eudaldo

63 Dosimetria in-vivo in IST Fentrance Mentrance Fexit Mexit

64 Dosimetria in-vivo in IST Calibrazione exit può dipendere dallo spessore del fantoccio...

65 Dosimetria in-vivo in IST Radiotherapy and Oncology 335 (1998) Midplane dose determination during total body irradiation using in vivo dosimetry Montserrat Ribasa, Nuria Jorneta, Teresa Eudaldo et al. Dmidplane = (Dentrance + Dexit) / 2 * CF dove CF è un fattore correttivo che tiene conto della effettiva PDD del fascio

66 Dosimetria in-vivo in IST Radiotherapy and Oncology 335 (1998) Midplane dose determination during total body irradiation using in vivo dosimetry Montserrat Ribasa, Nuria Jorneta, Teresa Eudaldo et al. CF può essere misurato sperimentalmente con fantocci di diverso spessore... CF = (Dmidplane) * 2 / (Dentrance+Dexit)

67 Dosimetria in-vivo in IST Radiotherapy and Oncology 335 (1998) Midplane dose determination during total body irradiation using in vivo dosimetry Montserrat Ribasa, Nuria Jorneta, Teresa Eudaldo et al.... oppure possiamo ricavare CF teoricamente dalle PDD misurate o stimate dal nostro modello... CF = 2*PDD(S/2) / (PDD(dmax)+PDD(S-dmax)) dove S è lo spessore del distretto misurato

68 Dosimetria in-vivo in IST

69 Dosimetria in-vivo in IST Verifica in fantocci di vario spessore...

70 Dosimetria in-vivo in IST Analisi casistica ad oggi (avvio fine 2009).. Dose (cgy) N pz NB: IST esegue circa 70 TBI all anno

71 Frequency Dosimetria in-vivo in IST 12 Histogram MD vs. PD More MD/PD (%)

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