L ESPERIENZA DI UN GIOVANE RICERCATORE G.Guidi Medical Physics Dpt. Azienda Ospedaliero - Universitaria di Modena Email: guidi.gabriele@policlinico.mo.it Phone: +39 059 4225699 Doctor Physicist FARE ADAPTIVE RT, DOSE ACCUMULATION E DOSE WARPING E POSSIBILE. LO FACCIAMO Fight with the doctor.....with Adaptive RT will be possible?
..IDENTIFICARE UNA IDEA CHE NON ESISTE O CHE POTREBBE RISOLVERE PROBLEMI 2
PET FUSION & CT EXHALE & CT INHALE. PROBLEMS HIDDEN 4DCT vs. PET (GTV4D= Red Contour) 4DCT vs CT with Max Inhale (GTV Max Inhale=Yellow contour) 4DCT vs CT with Max Exhale (GTV Max Exhale Green Contour) 3
Motion Artifacts 4
ORGAN MOTION: BASIC CONCEPT, PROBLEMS AND ISSUES DURING TREATMENT 3DCRT Static Target 3DCRT Dynamic Target NO Motion evaluation 3DCRT Dynamic Target 4DCT Motion Evaluation (ITV) 4DRT Dynamic Target 4DCT Motion Limitation 4DRT Dynamic Target 4DRT Technologies Internal Marker Tracking Dynamic MLC Robotic Couch Organs Motion Compensation Dose Warping Dose Accumulation Daily Adaptive RT 5
DALL IDEA...ALLA LETTERA DI INTENTI Project Title (Titolo del Progetto) Background Cosa si conosce dell argomento E innovativo e moderno? Aim Scopo della ricerca (pochi e chiari obiettivi) Study Design Organizzazione della ricerca Come fare, cosa implementare, come dimostrare i risultati, con quali persone, quali analisi usare Summary Preliminary Data Dati preliminari ottenuti, studi analoghi Material and Methods Dettaglio breve delle metodiche e dei materiali usati. Nessuna pubblicità ad aziende o prodotti Main expected results and impact Risultati ottenibili Indicatori di performance della ricerca Significance and relevance for SSN Impatto per il Sistema SAnitario Nazionale Che valore aggiunto introduce o cosa verifica che ancora non esiste o non è chiaro o dovrebbe essere studiato Total cost project Totale dei costi (carta e stampanti comprese) Fund request for MoH Quanto richiedo di aiuto al ministero e quanto invece riesco ad avere da co-finanziamenti Totale 2 pagine (10000 Caratteri) Succinti e diretti 6
RISORSE CODIFICATE, MODALITA E VALUTAZIONI FORMALI.IL MINISTERO SI AVVALE ANCHE DI ESPERTI INTERNAZIONALI LA COMPETIZIONE E ELEVATA 7
.ESEMPIO DI VALUTAZIONE DEL PROGETTO. 8
LINEE SCHEMATICHE DI PROGETTO DOSE WARPING E ADAPTIVE RT Schematic Project : Scripting for deformation and Adaptive RT in busy clinical environment Project (Dose Warping methods for IGRT and Adaptive RT (GR-2010-2318757 ) PI: GABRIELE GUIDI) Made by Gabriele Guidi (guidi.gabriele@policlinico.mo.it) - Version.3.x - 08/2013 Physicist: Export Patient DICOMRT Objects from Tomotherapy Therapist: Export daily MVCT from Tomotherapy Automatic Repository Read for Adaptive RT purpose (Night 20.00-06.00) Set «Body» as External ROI Rigid Registration MVCT vs. KVCT (Script 1) 1. Current Results: No.30 automatic registration in 15 minutes 2. Miss instruction to set Body as external ROI Copy all RT Structures Copy to all «new» imported MVCT (Script 2) 1. Missing: python instruction to copy ROI Automatic Import RT Data DICOMRT Objects CT Series RT Structures RT Plan RT Dose (Night 20.00-06.00) icloud Space Sharing for multiple or satellite sites (e.g. Modena-Carpi) DICOMRT Adaptive Repository Future Data Export Analysis Deform Dose using Tomotherapy Dose Hybrid registration (Script 4) 1. Missing: python instruction Project Scripting Objectives Map Structure ROI For each hybrid deformation map the plan structure from CT1 to MVCTn, with reverse option, creating new ROI (Script 3.b) 1. Missing: python instruction Hybrid Deformable Registration Set Body Controlling ROI Focus on all other Structures Resolution 0.25cm (Script 3.a) 1. Current Results: No.30 automatic deformable registration in 300 minutes 2. Missing to improve the script Define Grid size and grid corner Missing python instruction to create a popup for user definition of the controlling and focus ROI Dose Accumulation Analysis and Prediction (Script 6) Dose Summation and Prediction (Script 8) ROI Analysis and Prediction (Script 7) Dose computation of ROI Structure RT Compute common area of dose Compute differential area of dose (Script 6.1) Export Format Abaqus, Comsol Format STL, CAD, VTK (Script 6.2) Predict dose variation Comparing first fraction with last fraction Using ROI / Dose computation Using user goal definition e.g. 10% of the volume is changed e.g. Dose increase by 1Gy mean Radiobiology Statistic analysis Export to excel dose statistic table geud Homogeneity Index (HI) Conformity Index (CI) Conformation Number (CN) Conformal Index (COIN) (Script 6.3) Sum deformed n Dose of the daily treated fraction For each patients founded into the Adaptive RT repository Update dose summation of each fraction (Script 8.1) Data Export for Statistic Analysis (Script 8.2) Neural Network Trend session analysis Monitoring toxicity vs. Data analysis Predict re-planning time Pathology classification Deform n Structure RT Copy ROI to nmvct MAP ROI (CT to MVCT (n) for each hybrid registration) Find common and differential ROI area (Script 7.1) Export Format Abaqus, Comsol Format STL, CAD, VTK (Script 7.2) Biomechanical analysis of delivered doses Biomechanical ROI Analysis and motion/variation Prediction Legend: 1. Not yet available 2. Missing some python instruction or partially solved 3. Done and in production Data Adaptive Repository (Excel, Access, or SSPS Format) ROI Volume and centroid Statistic analysis Export to excel the statistic table (Script 7.3) 9
QUALI FOCUS E OBIETTIVI NEL PROGETTO. 10
. ANCHE GLI ASPETTI BUROCRATICI E AMMINISTRATIVI SONO PARTE DEL BANDO E DEL LAVORO BUSINESS PLAN & PARTNERS IL BUDGET E STATO POI PARZIALMENTE RIDOTTO ALL AVVIO DEL PROGRAMMA SULLA BASE DELLE CONDIZIONI IMPOSTE DAL BANDO, NEL QUALE I PROGETTI SONO FINANZIATI, DOPO LA SOTTOSCRIZIONE DELLA CONVENZIONE TRA IL MINISTERO DELLA SALUTE, UFFICIO IV DELLA DIREZIONE GENERALE DELLA RICERCA SANITARIA E BIOMEDICA E DELLA VIGILANZA SUGLI ENTI E IL DESTINATARIO ISTITUZIONALE GARANTE, NEI LIMITI DELLE DISPONIBILITÀ DELLE RISORSE ECONOMICHE PREVISTE PER IL PRESENTE BANDO, CON RIFERIMENTO AD UN UNICO ESERCIZIO FINANZIARIO. RICHIESTE DI FORNITURE E ACQUISIZIONE RELAZIONE INTERMEDIA AVANZAMENTO 11
. ANCHE GLI ASPETTI DELLE RISORSE PER IL PERSONALE DEDICATO.. E I TEAM CHE LAVORANO NELL AZIENDA CONTRIBUISCONO ALLA RICERCA 12
DOVE APPLICARE IL PROGETTO? TOTAL SKIN IRRADIATION (GRID EFFECTS) 13
TOTAL BODY IRRADIATION DEFORMABLE REGISTRATION (IMMAGINI E STRUTTURE) - PROBLEMATICHE NASCOSTE E POSSIBILI ERRATE INTERPRETAZIONI - Posizionamento Differente Cavità aeree (Possibile Artefatto!!) Deformazione immagine (Possibile Artefatto!!) 14
CASE REPORT TEST - LUNG NCCN Guideline v.3.2011 Plan 5 Fractions Rib < 6 Gy/fx Adaptive RT Rib > 6.6 Gy/fx 15
DOSE & VOLUME ANALYSIS CAN TELL TO YOU WHAT YOU LIKE Acceptable for PTV? 6.1 Gy / 5.8 Gy = 5 % Over Dose 110cc / 40cc =275% Acceptable for OAR? Serial & Parallel 16
DOSE WARPING, DOSE ACCUMULATION E SVILUPPO CODICI WORK IN PROGRESS AND LIMITS 17
.RISULTATI IN PRATICA CLINICA. (GPU E SCRIPTING AUTOMATION) H&N (No.23) (es. 1 pz. 29 CT) ADK Prostatico (No.20) (1 paz. 31 CT) SBRT Polmonare (No. 8) (1 paz. 6 CT) Auto (min) Man. (min) Time gain (%) Auto (min) Man. (min) Time gain (%) Auto (min) Man. (min) Time gain (%) CT/MVCT import + Rigid registration 30 50 40 43 55 22 7 10 30 CopyROI +Hybrid deformation + Mapping ROI 180 240 25 140 240 42 15 50 70 Statistical data extraction 60 350 83 60 360 83 3 70 96 Total time 270 640 148% 243 655 147% 25 130 196% 18
N CT cm cm.risultati E STUDI BIOMECCANICI. Parotide sx: semilati = semilaton semilato1 0,3 0,2 0,1 y = -0,01x R² = 0,89 0-0,1-0,2-0,3 Semilati delle parotidi a confronto cm -0,4-0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 N CT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0,2 0,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6 Parotide dx: semilati = semilaton semilato1 y = -0,01x R² = 0,95 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 N CT Parotide dx Parotide sx 19
SIS EPIDEMIOLOGICAL MODEL APPLICATION TO DEFORMABLE REGISTRATION Set-up error!!! CT28 CT16 CT17 CT18 CT19 PREDICTABLE WARPING EVOLUTION (65% OF CASES) 20
ORGANS MODELING - DEFORMABLE EVOLUTION OF THE PAROTIDS DURING RADIATION THERAPY 21
.PROTOTIPIZZAZIONE DI FANTOCCI PER STUDI 4D... TROVARE FONDI EXTRA POTREBBE ESSERE COMPLICATO. PRENDI SPUNTO POSSIBILE SOLUZIONE PER I BIMBI.. 22
medicalphysicsresearch.weebly.com 23
DIAGRAMMA DI GANTT EFFETTIVO DEL PROGETTO 06/2011 12/2011 06/2012 12/2012 06/2013 12/2013 06/2014 12/2014 06/2015 12/2015 Software expertise Data analysis Phantom validation Bayesian network Scripting Automation Predictive Analysis off-line ART Biomechanical Model 4D LEGO phantom Epidemic Model Dose accumulation TREATMENT PATIENTS IMAGES H&N 60 1800 Pelvic 40 1200 Lung SBRT 20 100 Brain 5 150 TOTAL 125 3250 24
TAKE HOME MESSAGES - (Dubbi e Domande) 1. FARE RICERCA È BELLO E AFFASCINANTE 2. FARE RICERCA È STIMOLANTE ED EMOZIONANTE 3. FARE RICERCA È STRESSANTE (FONDI DA TROVARE) 4. FARE RICERCA È ANCHE FORMALISMO 5. FARE RICERCA È ANCHE BUROCRAZIA 6. FARE RICERCA È ANCHE BUSINESS PLAN 7. FARE RICERCA È ANCHE GESTIONE DEI TEAM 8. FARE RICERCA È PARTNERSHIP.NON SONO PIÙ GIOVANE RICERCATORE, MA SPERO CI SIANO TANTI RAGAZZI CON VOGLIA DI METTERSI IN DISCUSSIONE. LE CAPACITÀ IN ITALIA E NELLA FISICA MEDICA CI SONO! 1. Maffei N, Guidi G, Vecchi C et al. Predict parotids deformation applying SIS epiemiological model in H&N Adaptive RT. Medical Physics. 2015; 42: 3592. DOI: http://dx.doi.org/10.1118/1.4925528 2. Guidi G, Maffei N. et.al. A support vector machine tool for adaptive tomotherapy treatments: Prediction of head and neck patients criticalities Physica Medica 2015-05 DOI:10.1016/J.EJMP.2015.04.009 3. Guidi G, Maffei N. et.al. Real-time lung tumour motion modeling for adaptive radiation therapy using LEGO Mindstorms Journal of Mechanics in Medicine and Biology 2015 journal-article DOI: 10.1142/S0219519415400199 4. Maffei N, Guidi G, Ciarmatori A et al. A 4D LEGO anthropomorphic phantom for intrafraction motion modeling during patient breathing, ESTRO, 2015. DOI: 10.3252/pso.eu.estro2015 http://cld.bz/dfbd2ua#828 5. Guidi G, Maffei N, Vecchi C et al. Uncertainties of deformable image registration considering motion: a 4D phantom study, ESTRO, 2015. DOI: 10.3252/pso.eu.estro2015.2015 http://cld.bz/dfbd2ua#868 6. Maffei N, Guidi G, Ciarmatori A et al. A Lego Mindstorms Biomechanical Phantom To Simulate Breathing Motion, Convegno nazionale SBRT, 2014. 7. Ciarmatori A, Guidi G, Maffei N et al. Adaptive lung SBRT: deformable registrations are clinical applicable but some challenges appear, Convegno nazionale SBRT2014 8. Maffei N, Guidi G, Bruni A et al. Irradiated lung tissues in Adaptive RT approach: some criticalities, Convegno nazionale SBRT, 2014. 9. Maffei N, Guidi G. SU-E-J-96: Predictive Neural Network for Parotid Glands Deformation Using IGRT and Dose Warping Systems Med. Phys. 2014-06 journal-article http://dx.doi.org/10.1118/1.4888148 10. Maffei N, Guidi G, Vecchi C, et.al. An Artificial Neural Network to predict time of replanning for Tomotherapy treatments, International Conference on Mechanics in Medine and Biology 2014. Bologna (IT) 11. Vecchi C, Guidi G, Maffei N, et.al. Scripting automation and biomechanical modeling for Adaptive Radiation Therapy, International Conference on Mechanics in Medine and Biology 2014. Bologna (IT) 12. Ciarmatori A, Guidi G, et.al. Deformable registration of PET in head and neck cancer Tomotherapy treatment: is texture analysis a good predictor?, International Conference on Mechanics in Medine and Biology 2014. Bologna (IT) 13. Guidi G, Maffei N, Vecchi C, et.al. Real-Time model for adaptive radiation therapy: a biomechanical approach using a LEGO Mindstorms, International Conference on Mechanics in Medine and Biology 2014. Bologna (IT) 14. Guidi G, Vecchi C, et.al. Deformable registration using python scripting for clinical automation. Radiotherapy and Oncology Volume 111, Supplement 1, 2014, Pages S116 ESTRO 2014 Vienna (AU) DOI: 10.1016/s0167-8140(15)31041-0 15. Guidi G, Vecchi C, et.al. Warping methods for Tomotherapy and IGRT: challenge and predictive analysis in clinical practice. Radiotherapy and Oncology Volume 111, Supplement 1, 2014, Pages S243 ESTRO 2014 Vienna (AU) doi:10.1016/s0167-8140(15)31807-7 16. Guidi G, et.al. Accumulo di dose e deformazione d organo per IGRT ed Adaptive RT: possibili incompatibilità in radioterapia, ricerca e prospettive per la nuova era. National Meeting AIFM 2013, Torino (IT) 17..altro in press e disponibile sul sito internet medicalphysicsresearch.weebly.com 25
. GRAZIE A TUTTI COLORO CHE CI SUPPORTANO, HANNO SUPPORTATO E.SOPPORTATO That s too much!!! (Praha 2009 : Tomotherapy Meeting) UN PARTICOLARE RINGRAZIAMENTO A NICOLA MAFFEI, CHE HA DELIRATO CON ME IN QUESTI ANNI NELLO «SGABUZZO» DELLA FISICA MEDICA E NELLA VITA QUOTIDIANA Un maestro ha lasciato... 26