Problematiche dosimetriche nell’utilizzo delle nuove tecnologie in Radioterapia

1. Problematiche dosimetriche nell’utilizzo delle nuove tecnologie in Radioterapia Leopoldo Conte Facoltà di Medicina e Chirurgia - Università degli Studi dell’Insubria Unità operativa di Fisica Sanitaria Ospedale di Circolo di Varese

2. Radioterapia conformazionale. Obiettivi • il volume con alte dosi deve conformarsi al volume dei tessuti in cui è presente la malattia • la distribuzione della dose deve inoltre essere tale da massimizzare la probabilità di evitare dosi elevate al tessuto normale • La varietà e l’arbitrarietà della forma dei tumori richiede una radioterapia conformazionale tridimensionale

3. Radioterapia esterna. Sviluppo tecnologico • Unità di radioterapia esterna • Apparecchiature per acquisizione di immagini • Sistemi di calcolo dei piani di trattamento

4. Unità di radioterapia esterna • Caratteristiche dei fasci di fotoni ( energia, intensità di flusso) • Geometrie, caratteristiche meccaniche (linac , tomoterapia, gamma knife, cyberknife) • Sistemi di collimazione statici e dinamici • Sistemi di controllo automatico • Accessori vari (imaging, portal imaging)

5. Imaging in radioterapia • Impiego della TC-simulazione virtuale • Integrazione di immagini multimodali • Applicazioni della IGRT • Acquisizione di immagini portali

6. Sistemi di calcolo dosimetrico • Modellizzazione delle nuove tecnologie • Nuovi algoritmi di calcolo • Inverse planning

7. Tecniche IMRT • Gantry fisso (step and shoot, sliding window) • Gantry rotante (tomoterapia, archi modulati) • Pencil beam (cyberknife, scanning beam)

8. Innovazioni tecnologiche e dosimetria • I progressi nel campo della radioterapia esterna richiedono una maggior accuratezza dosimetrica, specie se vengono prescritte dosi più elevate

9. Problemi • In passato maggior facilità di verifica della corretta esecuzione dei trattamenti • Con le tecniche più avanzate gli errori e le deviazioni dalle dosi pianificate sono meno evidenti e più difficili da scoprire • Sono necessarie misure dosimetriche prima e durante il trattamento con impiego di dosimetri e fantocci adatti allo scopo

10. Problemi dosimetrici • Misure di dose in mancanza di equilibrio elettronico • Calibrazione in dose di dispositivi non dosimetrici

11. Equilibrio elettronico Si ha equilibrio elettronico nel volume DV quando l’energia dissipata al di fuori di DV da parte degli elettroni secondari generati al suo interno è compensata dall’energia dissipata in DV da elettroni prodotti al di fuori dello stesso.

12. Condizioni di equilibrio elettronico • L’elemento di volume si trovi immerso in una porzione di materiale di dimensioni non inferiori al percorso massimo degli elettroni messi in moto dai fotoni primari • La fluenza di energia della radiazione primaria non vari apprezzabilmente su distanze dell’ordine del percorso degli elettroni

13. Mancanza di equilibrio elettronico • Le condizioni di equilibrio elettronico non sono rispettate in presenza di campi di piccole dimensioni (inferiori a 3x3 cm ) e di alti gradienti della fluenza di energia • In pratica nelle tecniche IMRT (SRS, Cyberknife, Gammaknife, Tomoterapia, MLC- IMRT )

14. Parametri critici • Percorso laterale degli elettroni nel mezzo irradiato • Dimensioni della sorgente rispetto alle dimensioni del campo • Dimensioni del rivelatore impiegato nelle misure dosimetriche

15. Percorso laterale degli elettroni • Il parametro critico è il percorso laterale degli elettroni che dipende dall’energia e dalla densità del mezzo (a 6 MV, in acqua, dell’ordine dei cm) • La penombra è influenzata dal trasporto degli elettroni

16. Dimensioni della sorgente • Se dal centro del campo non si “vede” l’intera sorgente si sovrappongono le zone di penombra; la dimensione del campo non è più data dalla FWHM ma risulta sovrastimata. • Nell’impiego del mMLC il profilo del campo può essere notevolmente influenzato dalla posizione del collimatore principale (jaw) a causa della radiazione trasmessa attraverso le lamelle

17. Dosimetri • Camere a ionizzazione • Diodi a semiconduttore • Rivelatori a diamante • Dosimetri a termoluminescenza • MOSFET • Altri • Dimensioni: standard, mini, micro ( 10-1, 10-2, 10-3 cm3)

18. Misure in condizioni di equilibrio elettronico • Per cavità di piccole dimensioni rispetto al range degli elettroni non si ha perturbazione • Nel caso di una camera a ionizzazione, in condizioni di equilibrio elettronico, si ha: • Dt = ( Q / m) . (w / e ) ( S / r)ta (1) • Confronto tra dose per campo di dimensione r e campo di riferimento ( 10x10 cm2)

19. Misure • Quando non c’è equilibrio elettronico la presenza di un rivelatore può modificare il livello locale delle condizioni di non equilibrio introducendo una perturbazione

20. Fattore di scattering • Il fattore di scattering è il rapporto tra la dose misurata sull’asse alla profondità di riferimento per un campo di dimensioni r e la dose misurata alla stessa profondità per un campo di riferimento (10x10 cm2 ) • Esso dipende dallo spettro energetico degli elettroni • L’introduzione di un dosimetro in assenza di equilibrio elettronico modifica lo spettro

21. Misure • Dosimetri diversi creano perturbazioni diverse in assenza di equilibrio elettronico • La dose , misurata con rivelatori diversi a 6 e 15 MV sull’asse, in funzione del campo, mostra valori diversi del fattore di scattering Scp per campi inferiori a 3 cm, per camere di varie dimensioni e altri rivelatori se non si tiene conto di fattori di perturbazione e correzioni della risposta.

22. Dosimetria portale con EPID • Soltanto la ricostruzione 3D della dose somministrata al paziente durante il trattamento consente di evidenziare qualunque tipo di errore e perciò questo obiettivo sembra essere prioritario anche se comporta le maggiori difficoltà rispetto a verifiche dosimetriche in fantoccio

23. Dosimetria portale con EPID • La dosimetria con EPID consente di rivelare i possibili errori nel corso delle attività cliniche. Tali errori riguardano: • difetti riguardanti l’ unità di trattamento e i suoi accessori prima e durante il trattamento • errori che riguardano il calcolo delle dosi nel piano di trattamento • errori durante il trattamento che riguardano variazioni anatomiche del paziente, scambio di pazienti, movimenti del paziente, oggetti interposti tra fascio radiante e paziente.

24. Retroproiezione • In questo caso la distribuzione 3D della dose al paziente viene ottenuta mediante procedimento di retroproiezione a partire dall’immagine portale • Ciò richiede la separazione della componente primaria della fluenza a livello dell’EPID dalla componente diffusa,

25. Convoluzione • La retroproiezione della componente primaria e la successiva convoluzione di quest’ultima con il kernel che rappresenta la radiazione diffusa all’interno del volume trattato • Le difficoltà di tale procedura sono note e tuttavia sono descritti in letteratura metodi che hanno consentito di ottenere primi risultati incoraggianti • Non risultano presenti attualmente in commercio prodotti soddisfacenti da questo punto di vista.

26. Calibrazione di sistemi per immagini portali • l’EPID non è di per sé un dosimetro ma un recettore di immagini • Il suo impiego dosimetrico comporta problemi, riguardanti la funzione dose-risposta, che dipendono dal tipo di rivelatore e dalle caratteristiche costruttive del dispositivo

27. Dosimetria con sistemi per immagini portali • In particolare si evidenzia una dipendenza della sensibilità dei sistemi commerciali a-Si dall’energia e quindi dalla componente di scattering presente a livello dell’EPID e una dipendenza dall’area irraggiata a causa di fenomeni di scattering all’interno del dispositivo stesso.

28. Conclusioni • L’introduzione di nuove tecnologie ha prodotto significativi cambiamenti nel campo della dosimetria • La misura e il calcolo della dose richiedono un maggiore impegno in termini di aggiornamento e di tempo dedicato alle problematiche dosimetriche da parte dei fisici • Non sembrano esistere soluzioni preconfezionate di tipo commerciale anche a causa della rapida evoluzione in campo tecnologico

30. Algoritmi di calcolo • Si possono suddividere in due categorie: 1) algoritmi che non modificano al penombra al variare della densità 2) algoritmi che modificano la penombra la variare della densità

31. Algoritmi di calcolo Appartengono al primo gruppo i seguenti: • Modelli basati su misure nel fasci • FFT convolution (point kernel) • Pencil beam

32. Algoritmi di calcolo Appartengono al secondo gruppo: • Monte Carlo • Collapsed cone superposition ( point kernel) • AAA

33. Innovazioni tecnologiche. Vantaggi • immagini anatomiche e funzionali in 3D • l’applicazione della integrazione di immagini multimodali • sagomare i fasci in modo da adattarsi alla proiezione geometrica del target • i campi possono essere creati automaticamente e rapidamente mediante collimatori multilamellari • distribuzioni 3D “esotiche” e conformate possono essere ottenute mediante fasci a intensità modulata • inverse planning con cui i fasci sono modellati sulla base della distribuzione di dose richiesta

34. Condizioni di non equilibrio elettronico • Si hanno variazioni dello spettro energetico in mancanza di equilibrio elettronico • Dt (r) / Dt (10) = (Dt ( E, r) / Dt (10) ) . (W/e)10r . ( ( S / r )at )10r (2) • Q (E,r) = Qm . Pion. Prepl. Pwall. Pcec. Ppcf (3)

35. Condizioni di non equilibrio elettronico • Si hanno variazioni dello spettro energetico in mancanza di equilibrio elettronico • Tutti i parametri che entrano nel calcolo del fattore di scattering sono dipendenti dall’energia • Per una mini camera (Exradin A14P) il fattore di perturbazione supera il 36%, 30% e 18% per campi circolari con diametro 1,5, 3 e 5 mm a causa delle condizioni di non equilibrio; peggio nei materiali a bassa densità

36. Condizioni di non equilibrio elettronico • Per dosimetria assoluta si impiega campo 10x10 cm2, ciò non è possibile in SRS, Gamma Knife, Tomotherapy, Ciber Knife • Ciò richiede complesse procedure di confronto, estrapolazione con vari detettori ed è individuale • The Radiological Physics Center (RPC) ha riscontrato significative differenze tra i vari centri

37. Dosimetri 3D e 2D • Gel (3D) • Film radiografici (2D) • Rivelatori radiocromici (2D) • EPID ( 2D)