dott. Marta Paiusco Servizio di Fisica Sanitaria Arcispedale S. Maria Nuova

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1 La PET in Radioterapia aspetti fisici dott. Marta Paiusco Servizio di Fisica Sanitaria Arcispedale S. Maria Nuova

2 3D-RT 3D -CRT: terapia radiante in cui il volume della dose è pianificato in modo tale da circondare il target (volume 3D) minimizzando la dose agli organi a rischio circostanti. E E tipicamente ottenuta con un set di campi radianti fissi la cui forma geometrica è definita utilizzando la proiezione del target (BEV). IMRT: forma avanzata di 3D-CRT che utilizza un fascio radiante ad intensità non uniforme, intensità determinata utilizzando diverse tecniche di ottimizzazione computerizzate [Intensity Modulated Radiation Therapy Collaborative Working Group; Int. J. R.O.B.P vol 51,No.4]

3 Forma avanzata di CRT

4 IMRT convenzionale Sistema di pianificazione inversa IP + TPS DMLC Diagramma di movimentazione Acceleratore con MLC Sistema di Record & Verify EPID

5 Collimatore Multilamellare Dinamico

6 La pianificazione Inversa Il problema fondamentale è determinare una modulazione dei profili di fluenza che: fornisca una distribuzione di dose vicina a quella desiderata; sia fisicamente erogabile. Problema inverso della pianificazione IMRT Problema di ottimizzazione Definizione quantitativa degli obiettivi clinici del trattamento DEFINIZIONE DEI VOLUMI DI TRATTAMENTO

7 Potenzialità della IMRT Elevato indice di conformazione Elevati gradienti di dose!? Risparmio dei tessuti sani Uniformità della dose all interno del target!? Possibilità di differenziare la dose all interno del Target SMART :Simultaneus: Modulated Accelerated RadioTherapy Possibilità di una dose escalation

8 IMRT: H&N

9 SMART Simultaneous Modulated Accelerated RadioTherapy

11 IMRT: cercive uterina +linfonodi paraortici

12 Modulazione in intensità Campo Antero Posteriore

13 Modulazione intensità Campi laterali obliqui

14 Immagini multimodali Il risultato di un trattamento radioterapico è fortemete influenzato dai volumi considerati e dalle proprietà radiobiologiche dei tessuti La possibilità di identificare tali proprietà permetterebbe: Predirre la risposta al trattamento Modificare I volumi di trattamento Individuare diverse strategie e tecniche di trattamento Disomogeneità della dose nel volume bersaglio Trattamenti più aggressivi: diversa dose frazione

15 Immagini multimodali CFRT e IMRT: requisito essenziale è l immagine 3D del paziente La TAC è oggi la modalità primaria su cui si basa il processo di pianificazione di un trattamento radioterapico L obiettivo obiettivo è quello di caratterizzare biologicamente e individuare accuratamente la regione tumorale

16 Immagini multimodali PET: informazioni fisiologiche Attività metabolica, attività proliferativa Differenziare regioni necrotiche e recidive Individuare regioni ipossiche Bassa risoluzione spaziale Inaccuratezza nella definizione dei volumi e contorni organi

17 Possibile impatto della co-registrazione PET/CT in radiotherapy - Modificazione dell intento radioterapico - Migliorare la definizione dei volumi (GTV/CTV) - Modificare il frazionamento - Modificazione della distribuzione di dose(dose painting) - Integraione delle informazioni biologiche nella definizione dei volumi (BTV-Biological Target Volume)

18 Immagini multimodali La registrazioni di immagini multimodali è un processo a diversi step: CT CT - MRI 1 PET P E T Trasferimento di immagini memorizzazione Tasformazione di coordinate Interpolazione tra voxels Ricampionamento ad una griglia uguale algoritmi Il processo è prono ad errori che possono condurre ad importanti errori nella selezione del trattamento QA del processo di registrazione delle immagini è fortemente raccomandato dall American Association of Physicists in Medicine Task Group 53 Report* *Fraass B, et al. Med. Phys. 1998;25(10):

19 QA del sistema di fusione di immagini QA del sistema di fusione di immagini Tecnica di registrazione delle immagini: match puntuale 10 markers Centroide identifica la posizione del marker Rapporto dell attivit attività tra sfere e volume circostante 4:1; 8:1; 16:1; 2 Diametro delle sfere (mm): 26.82; 21.79;17.69; 14.43; 11.89; 8.23 Fiducial markers

20 Modulo di registrazione dell Eclipse

21 Accuratezza della registazione:verifica visiva

22 Accuratezza della registrazione: distanza tra markers esclusi nel match point1 point2 Test points 5/10 X Max [mm] Y Max [mm] Z Max [mm] 3 5/10* /

23 Accuratezza della registrazione: verifica visiva e parametri della finestra di visualizzazione

24 PET e GTV S1 S2 S1 S2

25 PET e GTV Window level of PET images change size, shape and contrast of the target volume

26 PET e GTV Window level of PET images change size, shape and contrast of the target volume

27 PET e GTV CRITERIO: 45% del massimo conteggio

28 Immagini multimodali Riproducibilità nel posizionamento del paziente CT and PET devono essere acquisite nello stesso giorno I markers non devono essere rimossi dal paziente Lo stesso tecnico della simulzione dovrebbe essre presente per posizionare il paziente durante le scansioni PET e TAC per ottimizzare la riproducibilità del paziente Flat couch top Laser Positioning System Immobilization & localization System

29 Immagini multimodali: co-registrazione volumi paziente Point based registration Mutual information Errore medio nello spazio: 2.7 mm Errore max nello spazio: 3.4 mm

30 Immagini multimodali Scan Acquisition CT scan HiSpeed NX/i (GE) Free breathing 140 kv 140 ma Slice thickness: 3/5 mm Slice distance : 3/5 mm Pixel dimension: 0.68 mm PET scan C-PET Plus (Philips) Activity: : 1.6MBq/Kg Waiting time: : 1h Acquisition time: Emission 5min Transmission 2 min Reconstruction Algorithm: RAMLA 2.5D Reconstructed matrix: : 144 X 144 Slice thickness: 4 mm Pixel dimension: 2.5 mm

31 Immagini multimodali Scan Acquisition CT scan HiSpeed NX/i (GE)? Free breathing 140 kv 140 ma Slice thickness: 3/5 mm Slice distance : 3/5 mm Pixel dimension: 0.68 mm PET scan C-PET Plus (Philips) Activity: : 1.6MBq/Kg Waiting time: : 1h Acquisition time: Emission 5min Transmission 2 min Reconstruction Algorithm: RAMLA 2.5D Reconstructed matrix: : 144 X 144 Slice thickness: 4 mm Pixel dimension: 2.5 mm

32 Gated images PET e PTV Curtis B. IJROBP vol55,5,2003 Ed il calcolo dosimetrico????????

33 Come l immagine l PET influenza la pianificazione di un trattamento?

34 Nonsmall Cell Lung Carcinoma FDG-PET è superiore all imaging tradizionale nella stadiazione del NSCLC: fattore primario nella selezione del tipo di trattamento FDG può identificare noduli e metastasi che non sono visibili in TAC FDG/CT conduce ad una variazione nella strategia di trattamento circa nel 25-30% dei casi

35 Nonsmall Cell Lung Carcinoma 30 trattamenti di primi stadi di NSCLCs sono stati pianificati da 3 diversi radioterapisti utilizzando solo TAC e TAC/PET(FDG) Metastasi sono state rivelate solo dalla PET in 7 pazienti Il PTV è stato cambiato in forma e posizione in 22 casi Le variazioni inter-osservatore per il GTV(AREAMAX/AREAMIN) sono state ridotte da 2.3 a 1.56 C. B. Caldwell et al. Studio Pet in 35 pazieneti Il piano di trattamento è stato modificato in 12 Il dato PET indica, primariamente un allargamento del campo di radiazione Un attenta calibrazione della finestra delle immagini deve essere effettuata per evitare variazioni del 50% nei volumi Munley et al. Lung Cancer

36 Tumore ipossico: : PET ed altri traccianti Contiene cellule clonogeniche che sono più resistenti alle radiazione In questo ambiente si selezionano fenotipi aggressivi Tali cellule, se sopravvivvono al trattamento possono proliferare per produrre recidive locali Sembra esista una correlazione tra lo sviluppo di metastasi e la presenza di regioni ipossiche nel tumore

37 Ipossia: H&N Trattamento IMRT: SMART 80 Gy in 35 frazioni alla regione giudicata ipossica Cu-ATSM PET GTV riceve, simultaneamente 70 Gy in 35 fractions CTV riceve 60 Gy Il trattamento permette di risparmiare le parotidi: 30Gy a meno del 50% el volume Chao et al. IJROBP 4: , 2001

38 Ipossia: cervello MRI FDG (30-60m SUV) FMISO Pre Rx ( m 140m T/B Ratio) K Krohn, University of Washington, Seattle

39 IMRT e dose differenziata Ipossia: prostata

40 FDG-PET e IMRT nel trattamento della cervive uterina Paziente con linfonodi paraortici positivi FDG-PET CT L.N. rene

41 FDG-PET e IMRT nel trattamento della cervive uterina Paziente con linfonodi paraortici positivi Area pelvica (1) trattata convenzionalmente con dose convenzionale Area para-aortica aortica (2) trattata con IMRT con escalation di dose sui linfonodi PET utiizzata per individuare I linfonodi positivi (PALN)) CAX 2 1

42 IMRT: distribuzione di dose 50.4 Gy to PALN bed 59.4 Gy to positive PALN

43 Orofaringe

44 Orofaringe

47 Il futuro della pianificazione con immagini PET

48 PET adapted treatment planning conventional PTV conventional boost: stacked plain volumes functional PET imaging graded boost: textured volume Thank to dr.m.alber and dr.thorwarth, Department of Medical Physics, University of Tubingen

49 PET adapted treatment planning conventional PTV conventional boost: stacked plain volumes functional PET imaging graded boost: textured volume

50 Planning Study superimposed FMISOemission in the CT-scan for treatment planning transformation of FMISO-PET into dose efficiency distribution resulting isodose distribution in the planning target volume Thank to dr.m.alber and dr.thorwarth, Department of Medical Physics, University of Tubingen

51 FAZA SIB-IMRT FAZA-IMRT Thank to dr.m.alber and dr.thorwarth, Department of Medical Physics, University of Tubingen

52 IDEA: Dose erogata al target secondo una relazione lineare al livello di uptake del radiofarmaco D i = Tf(PET i )/α FDG-PET Sagittal Coronal Transverse K.S.DAS, Med.Phys.31(6), 2004

53 Conclusioni La TAC è ancora oggi la modalità primaria utilizzata nel processo di pianificazione ; Altre modalità di imaging dovranno essere coregistrate con la TAC; Per diversi regioni si è dimostrato il forte potenziale della PET nel migliorare la pianificazione di un trattamento; Il reale ruolo della PET necessita, comunque di una ulteriore approfondita analisi; L introduzione della TAC-PET semplificherà ma non risolverà completamente il processo di fusione delle immagini.