Radiation Therapy: : aspetti fisici

Intensity Modulated Radiation Therapy: : aspetti fisici M. Iori Servizio di Fisica Sanitaria Arcispedale S. Maria Nuova - Reggio Emilia

L evoluzione della Radioterapia: dalla RT alle IMRT

The Evolution of Radiation Therapy 1960 s 1970 s 1980 s 1990 s 2000 s Computerized 3D CT The First Clinac Treatment Planning Functional Imaging See and treat Standard Collimator Varian delivered the first 360 isocentric linear accelerator for cancer treatments.. The Clinac accelerator offered reduction in complications over conventional Co-60 treatments. Cerrobend Blocking Electron Blocking Varian provided the first medical accelerator in the USA for treatment and electron therapy for superficial treatments. Blocks were used to reduce the dose to normal tissues Preso dalle pagine Internet della ditta Varian Multileaf Collimator Advances in computer planning and the introduction of the computerized 2100C and MLC lead to 3D conformal therapy which allowed the first dose escalation trials. Dynamic MLC and IMRT Computerized IMRT introducined which proved to be the most efficient and effective means to escalate dose and reduce compilations High resolution IMRT IMRT Evolution evolves to smaller and smaller subfields and high resolution IMRT along with the introduction of new imaging technologies 3

RT & 3D-CRT technique for prostate tumour RT technique IMRT technique 3D-CRT technique

Dalla 3D-CRT IMRT Preso da un articolo di A. Brahme sulla IMRT 5

3D-CRT vs. IMRT: a clinical case 3-field RT 3-field IMRT Beam Profile # 1 Dose Intensity Prescribed Dose (typical distribution) RO PTV RO PT V Beam Profile # 2 Beam Profile # 3 Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab 6

3D-CRT vs. IMRT: a clinical case Preso da un corso sulla IMRT del MSKCC del 2003 7

L Ottimizzazione ed il Problema Inverso in Radioterapia

La Pianificazione Diretta in Radioterapia Procedura per l ottimizzazione manuale (tray and error) di un piano di trattamento: selezionare modalità ed energia delle radiazioni; selezionare numero ed angolazione dei fasci radianti; selezionare dimensioni e pesi relativi dei campi radianti; introdurre dispositivi statici di modulazione del fascio; calcolare la distribuzione di dose complessiva, analizzare la bontà del risultato ottenuto con i tools di valutazione; rimodificare i parametri sopra indicati qualora il piano di trattamento calcolato non confermi il giudizio fisico e clinico di piano ottimale. 9

Il Problema Inverso in Radioterapia L ottimizzazione del piano di trattamento viene posto come Problema Inverso: partendo da una distribuzione di dose considerata ottimale e clinicamente efficace, determinare i parametri di trattamento che forniscono tale distribuzione di dose nel paziente. Una tale impostazione individua matematicamente un problema inverso: la ricerca delle soluzioni richiede l introduzione di tecniche matematiche di ottimizzazione che dovranno realizzare l inversione di matrici in presenza di vincoli prefissati. Per l Intensità Modulata ciò equivale a trovare la migliore configurazione dei fasci ed il loro relativo profilo di intensità di fluenza. 10

La soluzione richiede l inversione l di matrice Suddiviso il volume irradiato in voxel con dosi discrete d i, scomposta l intensità planare (della fluenza di energia) del fascio radiante in singoli fascetti ciascuno dotato di propria intensità x j, chiamati a i,j i coefficienti di interazione della dose per unità di fluenza, il problema dell ottimizzazione si può visualizzare come: Beam fluence d 10 10 10 10 10 10 20 20 15 8 8 5 15 10 10 8 15 13 i = a i, ISTOGRAMMA INTEGRALE j x j Patient body a ij Numero o volume 11 ISTOGRAMMA DIFFERENZIALE 9 8 7 7 6 5 5 4 3 3 2 1 1 Dosi 5 8 10 15 20 Dosi 5 8 10 15 20 Numero o volume 11

La strategia verso la Pianificazione Inversa Si risolve il problema attraverso un processo di ottimizzazione che minimizzi una funzione E della deviazione di dose, dove d med è la distribuzione di dose ideale richiesta dal medico, d cal = A x è la distribuzione di dose da calcolare e minimizzare variando il parametro della fluenza x : min x i E 0 [( ) + ] = min [( ) + ] * * d med d E E d med A x E cal Sono stati imposti sul funzionale E(x) dei vincoli aggiuntivi E* per introdurre nel processo di ottimizzazione criteri di tipo fisico e clinico. Tale funzionale prende il nome di Funzione obbiettivo, Funzione di costo o punteggio. Si useranno tecniche di ottimizzazione iterative, limitando, durante il processo di ottimizzazione, lo spazio di ricerca delle soluzioni secondo quanto indicato nei vincoli (constraints) predefiniti. 12

Soft & Hard constraints Soft: Dose max per un OAR Hard: Dose max per un OAR Soft: Dose max e min per il tumore Hard/Soft: Dose -Volume per CTV e/o OAR 13

Un esempio di Inverse Planning per un trattamento IMRT

The Inverse Planning Module # 1 Volume contouring & field definitions 15

The Inverse Planning Module # 2 Real-Time DVH Real-Time DVH Real-Time DVH Real-Time objective function Real-Time Fluence Map 16

Plan optimization Beam s eye view of the target During optimization, the radiation intensity of each beamlet is varied. Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab 17

Fluence Map Verification Beam s eye view Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab Map calculated by computer Map recorded on film 18

Le modalità di Delivery nella IMRT

Il MultiLeaf Collimator (MLC) in dettaglio 60mm tungsten Cross-section through a 1.7mm thin leaf (3.0 mm at isocenter) Preso dalle pagine Internet delle ditte GE e BrainLab Tongue and Groove Design for minimal leakage of <2% between the leaves 20

SMLC - IMRT delivery modality # 1 Beam ON Trailing leaf Beam ON Leaf A Leaf B Leaf A Leaf B Leading leaf Intensità (MU) Intensità (MU) Intensità (MU) MU i X i X i X i Asse X del profilo (cm) Asse X del profilo (cm) Asse X del profilo (cm) (Fig. 4a) (Fig. 4b) (Fig. 4c) 21

SMLC - IMRT delivery modality # 2 Beam ON Beam ON Trailing leaf Leading leaf Leaf A Leaf B Leaf A Leaf B Leaf A MU A i Intensità (MU) Intensità (MU) Intensità (MU) MU B i Leaf B X i (Fig. 4d) Asse X del profilo (cm) (Fig. 4e) Asse X del profilo (cm) (Fig. 4f) X i X i Asse X del profilo (cm) 22

Step & Shoot IMRT (SMLC) # 3 1/3 Dose 1. MLC field Set-Up 1/3 Dose 2/3 Dose 2. MLC field Set-Up 1/3 Dose 3. MLC field Set-Up Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab Total Resulting Dose 23

DMLC - IMRT delivery modality A simplified diagram Total intensity at P : T φ p = I( x r (t)-p) I(p- x l (t)) dt t=0 Left-leaf Right-leaf beam-on time Leading leaf direction of motion Preso da una pubblicazione del 2002 su Le Scienze P 24

DMLC - IMRT delivery modality # 1 Intensità (MU) MU(x) Intensità (MU) MU(x) Area 1 Area 2 Area 3 Area 4 (Fig. 5a) x Asse x del profilo (cm) (Fig. 5b) Asse x del profilo (cm) Intensità (MU) Area 2 Area 4 Intensità (MU) Area 2 Area 3 MU(x) Area 4 Area 1 Area 3 MU(x) Area 1 Asse X del profilo (cm) (Fig. 5c) (Fig. 5d) Asse x del profilo (cm) 25

DMLC - IMRT delivery modality # 2 Beam ON Leaf A Leaf B MU A (x) MU(x) Trailing leaf Leaf A MU(x) Leaf B Intensità (MU) MU B (x) Intensità (MU) Leaf A Leaf B Leading leaf x Leaf A Leaf B Asse X del profilo (cm) (Fig. 5e) (Fig. 5f) x Asse X del profilo (cm) 26

La tomoterapia seriale: il MIMiC Arco di pendolazione Livelli di Dose Soluzione 1 di n 0 La modalità di esecuzione del trattamento 270 315 45 90 180 225 270 315 0 45 90 135 Arco di rotazione Livelli di Dose Soluzione 2 di n 225 135 180 180 225 270 315 0 45 90 135 Arco di rotazioni 27

Tomoterapia elicoidale ed acceleratori robotizzati The Hi ART TomoTherapy TomoTherapy System Il Ciber-Knife L MLC dell Hi.Art 28

IMMA Intensity Modulated Multiple Arc : a way towards IMAT The problem : how can we approach the IMAT technique to treat complex target volumes without disposing of a dedicated IP and sequencer? PTV PTV 1 PTV 2 PTV PTV 3 PTV 4 Σ PTV n The idea : to approach the IMAT technique by breaking up the tumor into appropriate sub-volumes and, using the CD-ARC option, optimize the plan in a forward way, changing manually the number and range of arc rotations,, the field weights and the shape of each DMLC arc segment. 29

IMMA: : the manual optimization of the DMLC SEG 2 SEG 1 SEG 15 SEG 14 SEG 13 SEG 3 SEG 12 SEG 4 SEG 11 SEG 5 CD-ARC field manually optimised SEG6 SEG 7 SEG 8 SEG 9 SEG 10 30

SMLC - IMRT vs. DMLC - IMRT

IMRT: DMLC vs. SMLC # 1 Time comparison between DMLC & SMLC (10 levels) Prese da un corso del 2003 sull IMRT del MSKCC 32

Total whole body dose equivalent Dose equivalent (msv) for delived dose of 70Gy at isocentre 33

IMRT: DMLC vs. SMLC # 2 Prese da un corso del 2003 sull IMRT del MSKCC 34

Aspetti fisici e dosimetrici della IMRT

Alcuni aspetti fisici della IMRT Double and Single Focused MLC Secondary and Tertiary MLC Leaf width, number of leaves and maximum field size Leaf length and leaf over-travel Leaf trajectory and leaf speed Total beam-on time Minimum leaf gap Tongue-and-groove effect Leaf gap width Leaf gap offset Inter-digitations Leaf leakage Efficiency factor Smoothing Splitting large fields Skin flash Heterogeneity corrections Total whole body dose equivalent Intra-fraction breathing motion 36

Leaf width & number of leaves Effective Penumbra is increasing with leaf with Leaf Thickness of the m 3 micro-mlc 5.5mm 4.5mm 3.0mm Critical Organ PTV Effect of leaf steps on dose distribution is clinically relevant to protect Critical Organs and to treat the PTV Effective Penumbra Preso da un CD della Brain-Lab sulla IMRT 37

The physic of MLC Rounded edges: leaf gap offset / shift equivalent / DLS Transmission & leakage Tongue & groove 38

The physic of MLC I(x) 1 ε leaf end leaf penumbra leaf transmission. direct exposure x Rounded edges: leaf gap offset / shift equivalent / DLS Transmission & leakage Preso da un corso del 2003 sull IMRT del MSKCC Tongue & groove 39

IMRT : MLC control Beam ON Leaf A Leaf B Tempo di beam ON (MU) t 4 t 3 t 2 x 3A Punti di controllo delle posizioni delle lamelle ogni xx msec nella DMLC. x 4A x 3B x 4B Punto che definisce l'inizio di un nuovo segmento e la fine del segmento precedente nella DMLC. Tempo di beam ON (MU) Position leaf tolerance Position leaf tolerance Traiettoria effettiva realizzata dalle lamelle Punto di controllo delle posizioni delle lamelle ogni xx msec nella DMLC. Punto che definisce l'inizio di un nuovo segmento e la fine del segmento precedente nella DMLC. t 1 t 0 x 0A,B x 1A x 2A (Fig. 6a) x 1B Interpolazione lineare della traiettoria fatta dal controller dell'mlc tra due segmenti contigui nella DMLC x 2B Posizione lamelle lungo l'asse x del profilo (cm) (Fig. 6b) Interpolazione lineare della traiettoria fatta dal controller dell'mlc tra due segmenti contigui nella DMLC Posizione lamelle lungo l'asse x del profilo (cm) 40

DMLC - IMRT : leaf speed and MUtot values Intensità (MU) 50 40 30 20 10 (Fig. 7a) V crt = 0.1cm/MU V max = 0.2cm/MU V crt = 0.3cm/MU V max = 1.2cm/MU V crt = 2cm/MU 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Asse x del profilo (cm) Intensità (MU) 50 40 30 20 10 (Fig. 7b) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Asse x del profilo (cm) 41

Leaf trajectory and leaf speed: Aspetti fisici della IMRT la velocità delle lamelle di un MLC è importante sia per la SMLC che per la DMLC. Nella SMLC influisce sul tempo totale di trattamento. Nella DMLC la fluenza del campo radiante viene modulata modificando temporalmente la posizione spaziale delle lamelle (considerando costante il rep-rate). Le velocità che concorrono alla modulazione nella DMLC sono: la massima velocità meccanica V mcc (cm/s) definita all isocentro, tipicamente pari a 2-2.5cm/s, la velocità critica V crt (cm/mu) correlata ad uno dei segmenti (step) del profilo d intensità da realizzare, definita come l inverso della pendenza del profilo stesso, la velocità massima ottenibile V max (cm/mu), definita come il rapporto tra V mcc ed il rep-rate R f (MU/s) erogato dall acceleratore, e la velocità di modulazione V mod mod : V mod ( cm / MU ) = (1 ± V V max max ΔI( x) ) Δx 42

Splitting large IM fields Nasopharynx PA field leaf pair 18 Prese da un corso del 2003 sull IMRT del MSKCC 43

IMRT: Skin flash Prese da un corso del 2003 sull IMRT del MSKCC 44

IMRT: heterogeneity correction Small beams & IMRT 4Field Head&Neck treatment with 6MV photons Prese da un corso del 2003 sull IMRT del MSKCC 45

Modalità di verifica e QA per i trattamenti IMRT ed IMAT

Pre-treatment dosimetry procedure R&VS TPS LINAC Absolute dosimetry: ± 3% Relative dosimetry: ± 3mm 47

QA tests for the DMLC system # 1 Dynamic check: position accuracy and round-ends leaves effect Static Check: optical measure of dosimetric leaves separation 48

QA tests for DMLC system # 2 Stability of leaves speed

Sistemi di immobilizzazione ed utilizzo del Portal Vision

H&N immobilization Future IMRT treatments First IMRT treatments Actual IMRT treatments 51

H&N: the shoulder problem # 1 CT # 1 CT # 1 CT # 2 CT # 2 52

H&N: the shoulder problem # 2 CT slices # 1 1 2 3 4 CT slices # 2 1 2 3 4 53

Estimating set-up error Identification of bony landmarks on simul/therapy images Matching of bony landmarks (manual methods; automatic methods) Δ x Δ y Δθ By Claudio Fiorino, ISE course 2003, Torino Δ y Δ x Δθ 54

Reducing uncertainties: Set-up correction procedures On-line correction - each fraction (EPID) - computer-controlled couches random systematic Off-line correction - estimation of systematic and random errors from a small number of images - definition of action levels (decision rules) - correction of systematic error By Claudio Fiorino, ISE course 2003, Torino 4 2 0-2 -4-4 -2 0 2 4 Systematic+random 4 2 0-2 -4-4 -2 0 2 4 Random

Scatter plot of RE plan set-up deviation Prostate set-up data dispersion ( # 8 patients) 1.00 Prostate set-up data dispersion ( # 8 patients) 1.00 0.80 Gantry 0 0.80 Gantry 270 0.60 0.60 Cranio - caudal directions (cm) 0.40 0.20 0.00-1.00-0.80-0.60-0.40-0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00-0.20-0.40 Prostate: Σ pro = 0.32 cm σ pro = 0.30 cm Cranio - caudal direction (cm) 0.40 0.20 0.00-1.00-0.80-0.60-0.40-0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00-0.20-0.40-0.60-0.60-0.80-0.80-1.00 Latero - lateral direction (cm) -1.00 Antero - posterior direction (cm) Head & neck set-up data dispersion ( # 7 patients ) 1.00 Head & neck set-up data dispersion ( # 7 patients ) 1.00 0.80 Gantry 0 0.80 Gantry 270 Cranio - caudal direction (cm) 0.60 0.40 0.20 0.00-1.00-0.80-0.60-0.40-0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00-0.20-0.40-0.60-0.80-1.00 Latero - lateral direction (cm) Head & Neck: Σ h&n = 0.31 cm σ h&n = 0.25 cm Cranio - caudal direction (cm) 0.60 0.40 0.20 0.00-1.00-0.80-0.60-0.40-0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00-0.20-0.40-0.60-0.80-1.00 Antero - posterior direction (cm) 56

L utilizzo di marker interni per la verifica del posizionamento Preso dal CD della MedTech 57

Acceleratori & KV Cone Beam CT Preso dalle pagine Internet delle ditte Varian ed Elekta 58

Acceleratori & KV Cone Beam CT Preso da una presentazione in rete sulle pagine Internet della ditta Varian 59

4D Radiation Therapy Delivery Varian On-Board Imaging Tracking 4-D IMRT Medical College of Virginia Conventional IMRT Tracking IMRT Dynamic targeting or Image-guided Motion Management 60