Dosimetria in vivo (DIV) Congresso AIRO Lombardia IL CONTROLLO DELLA TOSSICITA IN RADIOTERAPIA: L IMPORTANZA DELL APPROCCIO MULTIPROFESSIONALE Sistemi dosimetrici in vivo in radioterapia a fasci esterni e in brachiterapia 9 Maggio 2015 Tommaso Giandini e Chiara Tenconi, Ssd Fisica Medica tommaso.giandini@istitutotumori.mi.it chiara.tenconi@istitutotumori.mi.it Misura della dose ricevuta dal paziente durante il trattamento radioterapico * Verifica che il trattamento radioterapico venga effettuato come previsto Possibilità di rilevare eventuali errori nel corso del trattamento ed evitarne la propagazione a frazioni successive Possibilità di evitare errori sistematici su più pazienti Registrazione della corretta erogazione della dose nel trattamento Dovrebbe costituire una parte del sistema di garanzia della qualità in una struttura di radioterapia Implementazione nella routine clinica non molto diffusa *B. Mijnheer, S. Beddar, J. Izewska, C. Reft, In vivo dosimetry in external radiotherapy, Med. Phys. 40(7), July 2013 DIV: davvero fondamentale? DIV: questione di metodo PRO CONTRO Gravi incidenti avvenuti in radioterapia Importanti errori rilevati in un centro molto avanzato Strumento ideale per prevenire gli errori con le nuove tecnologie Prevenire le conseguenze potenzialmente disastrose di errori per almeno qualche paziente può giustificare lo sforzo e i costi di programmi di DIV (IAEA, ICRP, WHO, AAPM, ESTRO, ) Gli errori rilevabili solo con la DIV sono pochi Benefici solo per pochi pazienti Sufficienti i controlli pre-trattamento (verifica indipendente delle MU, sistemi di record-and-verify, misure in fantoccio) 2013 Dal fantoccio al paziente 1D Rivelatori per DIV 2D DIV con EPID* Accuratezze comparabili Vantaggi assoluti Problematiche relative Portal Dosimetry vs Ricostruzione della dose all interno delle immagini TC Misura della fluenza effettivamente incidente sul paziente TRANSIT DOSIMETRY *B. Mijnheer, S. Beddar, J. Izewska, C. Reft, In vivo dosimetry in external radiotherapy, Med. Phys. 40(7), July 2013 *W. van Elmpt et al., A literature review of electronic portal imaging for radiotherapy dosimetry, Radiother. Oncol. 88, 289 309 (2008) 1
DIV: raccomandazioni* DIV con EPID: Verificare tutti i trattamenti con intento curativo, in primis quelli pianificati con tecniche complesse (IMRT e VMAT), attraverso misure di dose in vivo in combinazione con un check pre-trattamento Da eseguire almeno una volta durante una delle prime frazioni nella prima settimana di trattamento Ripetute dopo un qualsiasi cambiamento nella procedura di trattamento Garantisce l integrità del piano di trattamento, a partire dal trasferimento delle informazioni dal TPS al linac fino alla corretta erogazione da parte del linac stesso 2014 2015 *B. Mijnheer, S. Beddar, J. Izewska, C. Reft, In vivo dosimetry in external radiotherapy, Med. Phys. 40(7), July 2013 Software per dosimetria in vivo: Dosimetry Check (DC) Sviluppato da Wendel Dean Renner (Math Resolutions, LLC) 1) Immagini della fluenza di fotoni incidente sull EPID (direttamente o dopo aver attraversato il paziente) Deconvoluzione delle immagini 2) Fluenza di fotoni in uscita dalla testata del linac Algoritmo di calcolo pencil beam 3) Calcolo della dose sulle immagini TC del paziente Ciclo di verifica dalla pianificazione all erogazione e di nuovo al piano di trattamento, con un calcolo indipendente della dose che aggiunge ridondanza alla QA DC: implementazione Curva di calibrazione MU erogate con il campo 10x10 cm 2 vs segnale integrato dell EPID sull asse centrale (in aria) Curva di calibrazione densità elettronica relativa vs numeri Hounsfield della TC in uso per l acquisizione delle immagini dei pazienti Condizioni di calibrazione del linac con valore di riferimento in termini di cgy/mu Caratteristiche geometriche del linac (gantry, collimatore, lettino, jaws, MLC) Kernel di dose Kernel di deconvoluzione per verifiche pre-trattamento non in trasmissione Kernel di deconvoluzione per verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY) TIME CONSUMING & TRIAL AND ERROR!! DC: commissioning Trattamenti a complessità crescente realizzati con TPS Eclipse (versione 11, algoritmo di calcolo Analytical Anisotropic Algorithm, griglia di calcolo 2 mm) sui dati forniti nel pacchetto AAPM TG 119 e importati nel fantoccio: 1) Campi aperti a gantry 0 : 3x3, 5x5, 10x10, 15x15, 5x15, 15x5, 15x15 con collimatore ruotato di 30 o 45, 20x20 cm 2 2) 3DCRT 3) IMRT 4) VMAT Trattamenti VMAT per tumori dei distretti corporei della pelvi e del testa-collo erogati direttamente sull EPID e acquisiti con tecnica cine Confronto tra le distribuzioni di dose ricostruite da DC sulle TC dei pazienti e quelle previste dal TPS Verifica dell assenza di problemi di saturazione della memoria della 4D Integrated Treatment Consolle durante l erogazione dei trattamenti e misura del tempo necessario al salvataggio delle immagini prodotte Prestazioni attualmente spinte al limite!! 2
Immagini acquisite senza problemi di saturazione della memoria della 4DITC Acquisizione di circa 1 immagine al secondo: Circa 120/140 immagini per trattamenti VMAT con due archi Circa 1 immagine ogni 5/6 VMAT del distretto pelvico Rispettato il limite di 200 immagini a trattamento* Adeguato campionamento angolare Cambiamento del risultato dosimetrico nel corso delle frazioni Tempo morto di salvataggio circa 2 minuti Non incide nella routine clinica (sfruttato per far accomodare il paziente successivo) *P. M. McCowan et al, An investigation of gantry angle data accuracy for cine-mode EPID images acquired during arc IMRT, J. Appl. Clin. Med. Phys. 15(1), 187-201 (2014) Ipotesi di variazioni anatomiche durante il trattamento VMAT del distretto testa-collo POTENZIALITA LIMITI Cambiamento del risultato dosimetrico nel corso delle frazioni Variazioni anatomiche durante il trattamento: presumibile riduzione del volume bersaglio Posizione delle spalle leggermente diversa da quella di pianificazione Ricostruzione della dose sulle immagini TC dei pazienti con possibilità di rilevare cambiamenti del trattamento nel tempo: variazioni anatomiche e/o errori di setup INFORMAZIONI RELATIVE Accuratezza della ricostruzione di dose influenzata da: - Incertezze nel setup del paziente - Organ motion - Variazioni anatomiche interfrazione - Processo di deconvoluzione delle immagini di transito: ipotesi di radiazione diffusa dal paziente uniforme sull EPID e ray-tracing - Eterogeneità PROBLEMATICHE ASSOLUTE DIV: potenzialità Per tutti i pazienti: verifica dosimetrica alla prima frazione e a intervalli prestabiliti durante la radioterapia Per pazienti sottoposti a trattamenti ipofrazionati: effettuare la verifica dosimetrica per tutte le frazioni Grazie per l attenzione! Miglior conoscenza della dose somministrata a tumore e organi a rischio Importante per la costruzione di ancor più robusti modelli predittivi di tossicità Ricostruzione della dose sulle immagini acquisite con Cone-Beam CT per migliorare la definizione della geometria del paziente al momento del trattamento 3
Riserve Incidenti in Radioterapia: alcuni esempi A New York City hospital treating him for tongue cancer had failed to detect a computer error that directed a linear accelerator to blast his brain stem and neck with errant beams of radiation. Not once, but on three consecutive days. In 2005, a Florida hospital disclosed that 77 brain cancer patients had received 50 percent more radiation than prescribed because one of the most powerful and supposedly precise linear accelerators had been programmed incorrectly for nearly a year. The Times found that while this new technology allows doctors to more accurately attack tumors and reduce certain mistakes, its complexity has created new avenues for error through software flaws, faulty programming, poor safety procedures or inadequate staffing and training. When those errors occur, they can be crippling Kernel di dose Kernel di deconvoluzione per verifiche pre-trattamento non in trasmissione Singolo kernel poli-energetico sviluppato a partire dai dati del fascio (PDD, profili diagonali in acqua, Scp) e da kernel generati con codice Montecarlo con n = 5, simmetria circolare Non modellizzata la contaminazione elettronica calcolo accurato oltre il massimo del build up Usato per separare Sp e Sc da Scp Sc calcolato preferito a quello misurato in fase di commissioning per l incertezza sperimentale legata alla sua misura Generazione del kernel: Immagini di campi quadrati erogati sull EPID e acquisiti con tecnica integrata Fit dei parametri del kernel al fine di minimizzare I valori sull asse centrale delle immagini deconvolute dovranno matchare al meglio i corrispondenti Sc Scp misurati in fase di commissioning del linac 4
Kernel di deconvoluzione per verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY) PROBLEMATICA FISICA: L attenuazione dovuta al paziente cambia lo spettro della radiazione incidente sull EPID e la radiazione diffusa aggiunge una componente di bassa energia allo spettro, alla quale l EPID tende a sovrarispondere Kernel di deconvoluzione per verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY) ASSUNZIONE: la radiazione diffusa dal fantoccio è uniforme sull EPID 10x10 cm 2 Profondità 30 cm SOLUZIONE DC: Generazione di più kernel di deconvoluzione, uno per ogni determinato spessore di fantoccio ad acqua attraversato Considerare spessore acqua-equivalente del lettino! 2,7% di attenuazione 20x20 cm 2 Profondità 50 cm Kernel di deconvoluzione per verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY) Conversione delle immagini in trasmissione: ad ogni pixel nell immagine EPID viene assegnato uno spessore acqua-equivalente attraversato dal fascio prima di raggiungere quel punto per mezzo di un processo di ray-tracing attraverso le immagini TC del paziente; questo spessore è usato per riferirsi ad un determinato kernel Risultati e discussione: Dosimetry Check Commissioning di DC 1) Campi aperti PROBLEMATICA MATEMATICA: I kernel di deconvoluzione dipendono anche dallo spessore che varia da punto a punto nell immagine non più applicabile il teorema di convoluzione SOLUZIONE DC: Più deconvoluzioni dell immagine con i kernel implementati ai differenti spessori d acqua e interpolazione tra le immagini deconvolute adiacenti allo spessore di ogni pixel DC TPS Risultati e discussione: Dosimetry Check Commissioning di DC Misure con GafChromic: IMRT Sovrastima di DC o incertezza sperimentale della misura dovuta ai due campi a 90 e 270? Per trattamenti complessi un confronto puntuale di dose non è sufficiente per valutare globalmente l accuratezza della dose erogata Accordo entro il 2% 5
Conclusioni 1) La DIV è implementabile con successo e commissionato sia a livello di verifiche pretrattamento non in trasmissione che di verifiche durante il trattamento in trasmissione La procedura di implementazione richiede numerose misure sia per la generazione dei kernel che per la successiva validazione l esperienza è stata time-consuming e trial and error 2) Le verifiche pre-trattamento non in trasmissione con Dosimetry Check sono state introdotte nella routine clinica con un adeguata sicurezza (Gamma analisi con Dose Difference 3% e Distance-to-Agreement 3mm) 3) Le verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY) con Dosimetry Check necessitano di ulteriori studi e progressi prima di essere implementate nella routine clinica (Monte Carlo, maggior automazione e velocità dei processi coinvolti ) DC: commissioning Trattamenti erogati direttamente sull EPID Confronto tra le distribuzioni di dose ricostruite da DC e quelle previste dal TPS Trattamenti erogati sul fantoccio a lastre e misurati in trasmissione con l EPID Confronto tra le distribuzioni di dose ricostruite da DC e quelle previste dal TPS Misure all isocentro in mezzo al fantoccio con camera a ionizzazione Farmer modello NE 2581 (volume sensibile 0.6 cc) Confronto con dosi calcolate da TPS e DC in un volumetto sulle immagini TC corrispondente a quello della camera DC: alcuni risultati Misure con GafChromic: 3DCRT Misure di dose planare con GafChromic EBT3 Confronto con piani di dose calcolati da DC tramite analisi gamma eseguita in Verisoft (version 6.0, PTW) Ottimo accordo Confermata misura con camera a ionizzazione e accuratezza del calcolo di DC DC: alcuni risultati Misure con GafChromic: VMAT VMAT del distretto pelvico Buon accordo Confermata misura con camera a ionizzazione e accuratezza del calcolo di DC Necessaria una ROI che rappresenti il volume di paziente visibile dall EPID 6
VMAT del distretto pelvico POTENZIALITA LIMITI GVH relativi alle singole strutture sono un buono strumento di analisi Verificare SEMPRE che tutto il volume della struttura sia visibile dall EPID! Necessaria un attenta interpretazione dei risultati! Nessun fantoccio necessario per le misure Possibilità di programmare una frazione aggiuntiva al trattamento a scopo QA e di ottenere i risultati prima dell inizio del trattamento per tutti i pazienti (code di calcolo) Ricostruzione della dose sulle immagini TC dei pazienti con adeguata accuratezza Numerosi strumenti di analisi per i confronti tra le distribuzioni di dose ricostruite e previste dal TPS Dimensione finita dell EPID che comporta una perdita di informazioni sulla distribuzione dosimetrica Possibilità di analisi dosimetriche falsate dovute al limite precedente Necessaria revisione e interpretazione dei risultati delle analisi dosimetriche Lunghi tempi di preparazione e calcolo 7