Descrizione della metodica di contouring del BTV (Biological Target Volume) impiegata all Ospedale di Rovigo

Descrizione della metodica di contouring del BTV (Biological Target Volume) impiegata all Ospedale di Rovigo Elena Bellan SOC Fisica Sanitaria, Ospedale S. Maria Misericordia, Rovigo contatto e-mail: bellan.elena@azisanrovigo.it Corso di Formazione AIFM-T 15 giugno 2012

Razionale della tecnica proposta 1. In Radioterapia, nonostante la CT costituisca la modalità di imaging primaria per l impostazione e il calcolo di dose di un piano 3D, essa presenta dei limiti nel visualizzare certi tipi di lesione meglio evidenziati da imaging metabolico (PET). Per associare l informazione funzionale PET alle strutture anatomiche CT, di solito la PET viene importata nel TPS e co-registrata con la CT di centramento radioterapico generalmente acquisita con scanner ad ampio FOV. 2. Il risultato della registrazione di immagini con dinamica così differente può essere influenzato da problemi di saturazione nelle finestre W/L di visualizzazione: nel tentativo di rimediare a tale inconveniente l operatore può regolare il livello di visualizzazione delle immagini metaboliche ottenendo però un informazione non più correlata al valore reale di SUV (Standard Uptake Value). 3. L ideale sarebbe avere un PET/CT simulatore ad ampio FOV con relativo software di simulazione virtuale dove poter eseguire le diverse operazioni simultaneamente.

Esempio di fusione diretta tra PET (studio secondario) e CT di centramento (studio primario) su TPS Non sono chiari i margini della lesione da irradiare Non si riesce ad avere una variazione significativa manipolando le finestre W/L

Per sfruttare al meglio le informazioni metaboliche e costruire un adeguato piano di cura radioterapico (cioè avere l evidenza di una zona particolarmente patologica dove pianificare un boost di dose), nel nostro centro si è sviluppato un metodo alternativo, sfruttando le risorse in esso presenti: uno scanner diagnostico PET/CT installato presso il Servizio di Medicina Nucleare uno scanner CT ad ampio FOV installato, in combinazione con un sistema di laser mobili, presso il Servizio di Radioterapia. Le fasi numerate rappresentano le parti pratiche che andremo a svolgere sulle diverse stazioni: FASE 1: stazione di acquisizione CT ad ampio FOV con simulazione virtuale (Servizio di Radioterapia) e stazione di acquisizione PET/CT (Servizio di Medicina Nucleare) FASE 2: stazione di analisi di immagini metaboliche General Electric Advantage Window 4.4 (Servizio di Fisica Sanitaria) FASE 3: stazione di registrazione di immagini multimodali e valutazione dei volumi da irradiare (Servizio di Fisica Sanitaria)

Workflow del processo Paziente con reperi temporanei di identificazione volume di scansione FA SE Acquisizione con CT ad ampio FOV in Radioterapia (Siemens Somatom Sensation Open) con procedura di simulazione virtuale su sistema CMS Focal 4.62 Acquisizione PET/CT (GE Discovery) in Medicina Nucleare con protocollo dedicato alla RT con reperi definiti nel punto precedente, stesso posizionamento del paziente Stazione GE ADW 4.4 per delineazione BTV ed Export delle strutture verso sistema CMS Focal 4.62 Registrazione di immagini e contouring completo su sistema CMS Focal 4.62. TPS CMS XiO 4.62 per pianificazione trattamento LINAC + EPID FA S FA S E2 E3 1

FASE 1 passo 1: scansione CT ad ampio FOV e simulazione virtuale Scanner Siemens Somatom Sensation Open z y CMS Focal ACCESS 4.62 x SEND TO LASER Sistema di laser mobili DIACOR per la coordinata laterale (laser a soffitto) e coordinata verticale (laser alle pareti). La coordinata longitudinale (y) viene regolata manualmente dall operatore controllando il suo valore digitale su display del gantry dello scanner zero impostato sui reperi temporanei recupero coordinate paziente partendo dallo zero sui reperi temporanei

FASE 1 passo 2: scansione PET/CT in Medicina Nucleare con protocollo dedicato alla RT (chiamato particolare RT, no total body) PET/CT Discovery STE - GE PET scanner 24 anelli di cristalli BGO Acquisizioni sia 2D che 3D CT Multislice integrata 16 slice Display FOV max = 70 cm

FASE 1 passo 2: scansione PET/CT in Medicina Nucleare con protocollo dedicato alla RT Table Top piatto in fibra di carbonio per acquisizione particolare per RT AKTINA MEDICAL PHYSICS CORP AXION 01 Stessi mezzi di immobilizzazione usati in radioterapia: piano inclinato per distretto toracico Stessi mezzi di immobilizzazione usati in radioterapia: sistema di immobilizzazione pelvi ORFIT AIO

FASE 1 passo 2: scansione PET/CT in Medicina Nucleare con protocollo dedicato alla RT RE A E CL U N NA I C I ME D Si cerca di fare in modo di ottenere immagini assiali CT con qualità molto simile sfruttando l algoritmo di modulazione di dose di macchine comunque diverse PET/CT 1. PIA A R TE O I D RA SimulTAC Configurazione 24 x 1.2 mm, Pitch =1, tensione 120 kv Modulazione ma: CareDose 4D (su torace 120 ma medi) RICOSTRUZIONE a 5 mm 2. 3. Scansione PET (2.2 MBq/kg di 18FFDG, 5 min/bed). In modalità particolare RT lunghezza di scansione pari a circa 2 bed. Ogni bed corrisponde a circa 15 cm lungo l asse longitudinale. Configurazione 3D (senza setti) RICOSTRUZIONE ITERATIVA 3D (VUEPointHD) 28 subsets x 2 iteraz. Scansione CT - modalità SPIRALE 1. 2. 3. 4. 5. 6. Configurazione 16 x 0.625 Pitch = 1.375, tensione 120 kv Modulazione ma: Smart-mA (diagnostica:range 40-100mA, noiseindex = 36 particolare RT: range 100-200 ma noise-index=13) RICOSTRUZIONE a 5 mm

FASE 2: Operazioni su stazione GE ADW 4.4 per identificazione BTV Visualizzazione della serie di fusione PET/CT effettuata automaticamente nello scanner ibrido GE Discovery : protocollo installato PET/CT REVIEW Segmentazione su SUV: il contorno di ROI inserite su un punto particolare basato su soglia SUV = 42% Identificazione della ROI nella lesione di interesse con statistiche inerenti (max SUV, media, dev std)? Processo decisione aree di visualizzazione: salvataggio delle aree visualizzate con SUV > circa 40%(SUVmax della ROI) come studio IMMAGINI ELABORATE Caricamento contemporaneo della CT di fusione come modalità trasmissiva e di IMMAGINI ELABORATE come modalità emissiva: protocollo installato PET/CT FUSION Contouring della ROI BTV e salvataggio come RTStructure Invio della RTStructure, associata alla sola CT acquisita nello scanner ibrido Discovery, verso il sistema CMS Focal

FASE 2: Esempio clinico. Protocollo PET/CT REVIEW Passo1: visualizzazione dei due volumi sovrapposti PET e CT derivanti dallo scanner ibrido e studio distribuzione SUV Visualizzazione volume CT Visualizzazione volume PET Viene considerato patologico il volume con SUVmax>2.5 Lesioni di diametro<1cm non vengono considerate (risoluzione tomografo). Per effetto di volume parziale si consiglia (vedi bibliografia) di non adoperare tecniche semiquantitative basate su SUV per il contornamento di lesioni con dimensioni < 2 cm

FASE 2: Esempio clinico. Protocollo PET/CT REVIEW Passo2: segmentazione delle ROI sulla base della soglia del SUV

FASE 2: Esempio clinico. Protocollo PET/CT FUSION Passo3: contouring del volume BTV trasmissiva emissiva Caricamento della serie trasmissiva (CT di fusione) e della serie emissiva (PET modality) Contouring del BTV sulle aree selezionate nel processo di segmentazione

FASE 2: perché la soglia viene impostata a circa il 40% del SUV max? 1. SUV dipende da forma e dimensione della lesione (rappresentate in pratica dal raggio R della lesione) + 2. SUV dipende dalla risoluzione spaziale dello scanner PET (rappresentata in pratica dalla FWHM della sua funzione spaziale PSF point spread function ) 3. Si può definire un indice di qualità del processo di segmentazione basato su SUV come: Quality Index = R / FWHM Quality Index tipici di lesioni di dimensioni medie (diametro di 3-4 cm) con acquisizione mediante scanner PET con FWHM tipica di 4-7 mm, implicano una soglia ottimale in termini di SUV nel range 35-45% di SUVmax, assumendo ipotesi di sfericità e uniformità del tracciante all interno della lesione (Vedi rif. bibliografico alla fine n.3)

FASE 2: perché la soglia viene impostata a circa il 40% del SUV max? Lesione sferica considerando la sua parete Variazione di soglia dal 20% al 50% in un oggetto non sferico Lesione perfettamente sferica non considerando la sua parete Radioter Oncol 96(2010)

Metodi di segmentazione rif. 1

Import delle due serie CT nel sistema CMS Focal BTV esportato da ADW 4.4 Studio secondario CT acquisita con PET/CT GE Discovery solo ROI BTV PTV Studio primario CT acquisita con scanner Siemens ad ampio FOV contouring completo di tutte le ROI REGISTRAZIONE DI IMMAGINI (procedura manuale o automatica secondo algoritmo di mutual-information o combinazione delle due)

FASE 3: Registrazione di immagini su CMS Focal e copia del BTV sullo studio primario Matrice di rototraslazione della trasformazione applicata su studio secondario per adattare la sovrapposizione tra i due studi

Lo studio primario possiede così tutte le informazioni per la pianificazione e il calcolo della dose PTV Organi a rischio BTV Contorno esterno

Come utilizziamo l informazione metabolica della PET/CT: 1. Individuare un piccolo volume captante che identifichiamo come BTV, dove poter pianificare il massimo di dose di un trattamento standard o un boost di dose (concomitante o consecutivo al trattamento standard) 2. Studiare l efficacia del trattamento radiante (osservando la diminuzione in cm3 del BTV dopo un adeguato periodo dall ultima seduta di trattamento) ed, eventualmente, continuare con campi di irradiazione più ridotti sul volume residuo

Quindi. requisiti della tecnica proposta 1. E necessario posizionare il paziente allo stesso modo durante le acquisizioni sui due differenti scanner e con lo stesso set di reperi cutanei 2. E necessario disporre nello scanner PET di un flat-table in fibra di carbonio molto simile a quello dell apparecchiatura CT ad ampio FOV e al lettino di terapia in acceleratore lineare 3. E necessaria una stazione dedicata alla visualizzazione di immagini PET in modo da poter decidere una soglia di SUV ed impostare protocolli di elaborazione personalizzati 4. E necessario avere a disposizione un algoritmo di registrazione di immagini medicali.

Conclusioni mediante confronto con altre tecniche 1. Con questa metodica la registrazione di immagini avviene tra due serie della stessa modalità (CT) evitando eventuali problemi di saturazione delle finestre window/level del TPS per la visualizzazione di modalità di imaging funzionale (rif.9). 2. Rispetto ad altri metodi di segmentazione di imaging metabolico che non applicano un criterio di soglia su SUV (rif. 1 e 5: algoritmi di clustering, stocastici, edge-detection, region-growning, modelli deformabili, modelli di classificazione e altri approcci): il metodo basato su soglia del SUV è di semplice implementazione, molto usato in clinica (anche se operatore-dipendente), presente in tutte le workstations adatte ad analisi di imaging di medicina nucleare. Anche se esiste la tendenza di studiare tecniche più oggettive, la segmentazione basata su SUV rimane ancora oggi il metodo più utilizzato nelle applicazioni cliniche (rif. 3).

Conclusioni mediante confronto con altre tecniche 3. Nei 50 pazienti in cui la metodica è stata impiegata, si è osservata una buona corrispondenza tra la definizione completa dei volumi e l informazione relativa al SUV nelle immagini metaboliche, confrontando il risultato con i volumi GTV individuati con altri metodi di imaging (RM, TC). 4. Nei 50 pazienti in cui la metodica è stata applicata, il BTV così individuato è stato preso come volume di riferimento per eseguire un boost di dose o studiare l efficacia del trattamento radiante (mediante studio della riduzione del volume tra prima e dopo il trattamento e/o mediante riduzione del valore di SUV nella lesione individuata)

Riferimenti bibliografici utili e approfondimenti proposti 1. H. Zaidi, I. El Naqa PET-guided delineation of radiation therapy treatment volumes: a survey of image segmentation techniques Eur J Nucl Med Mol Imaging, published online 25.03.2010. Review article interessante sulle varie tecniche di segmentazione in uso su immagini PET 2. V. Kapoor et al. An introduction to PET-CT imaging Radiographics:24: 523-543, 2004. Review article sulla tecnologia PET/CT di imaging ibrido. 3. J.A. Lee Segmentation of positron emission tomography images: some recommendations for target delineation in radiation oncology Radioter Oncol 96(2010): 302-307. Review article sul processo di segmentazione su immagini PET che, in particolare, giustifica la soglia del 40% sul SUV. 4. W. A. Weber Quantitative analysis of PET studies Radioter Oncol 96(2010): 308-310. Review article che approfondisce l aspetto di analisi di immagini PET attraverso il valore di SUV. 5. G. Lucignani SUV and segmentation: pressing challenges in tumour assessment and treatment Eur J Nucl Med Mol Imaging 2009 36:715-720. Interessante discussione sui metodi di segmentazione su immagini PET per studiare l evoluzione metabolica di una lesione tumorale.

6. S. Basu et al. Quantitative Techniques in PET-CT imaging Current Medical Imaging Reviews 2011: 7: 216-233. Interessante disquisizione sui metodi di quantificazione di immagini PET basati su SUV considerando anche l effetto di volume parziale. 7. F. Maes et al. Medical Image Registration using mutual information Proceedings of the IEEE 2003, Vol.91, n 10: 1699-1722. Descrizione del metodo di registrazione di immagini multimodali basato sull algoritmo di mutual information. 8. R. Boellard et al. FDG PET and PET/CT: EANM procedure guidelines for tumour Pet imaging: version 1.0 Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 14.11.2009. Linee guida per protocolli di acquisizione PET per dosimetria, interpretazione imaging, correzioni necessarie, variabilità di rivelatori. Conferma che i metodi semiquantitativi basati su valutazione di SUV rappresentano attualmente il sistema più robusto per stimare la risposta ad una terapia. 9. R. Hong et al. Correlation of PET standard uptake value and CT windowlevel thresholds for target delineation in CT-based radiation treatment planning Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. 2007: 67/3: 720-726. Uso della PET direttamente su TPS e necessità di un algoritmo di equalizzazione dei due segnali PET e CT.