Wykorzystanie systemu Velocity w COI Gliwice. Jacek Wendykier

Transkrypt

1 Wykorzystanie systemu Velocity w COI Gliwice Jacek Wendykier

2 Wykorzystanie rzeczywiste - Dose Deformation Deformacja/transformacja deformacyjna rozkładu dawki z jednego badania CT na inne. stare CT + dawka na stare CT + nowe CT Transformacja deformacyjna ma miejsce między bryłami (badaniami CT), po czym obliczana jest deformacja starej dawki na nową bryłę i jej transformacja (resample), aby uzyskać nowy (stary) rozkład dawki. Na wyjściu transformacja deformacyjna między bryłami oraz nowy (stary) rozkład dawki na nowszą bryłę. Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

3 Volume Resampling Wszystkie operacje na objętościach (volume resampling), czyli tworzenie nowych, operacje na zbiorach, skalowanie i sumowanie dawek etc. opierają się tak naprawdę na przenoszeniu punktów z jednego do drugiego układu współrzędnych. Najczęściej zachowywane są właściwości geometryczne tych operacji, czyli na przykład zachowana jest objętość, ale same wartości wokseli są najczęściej zmieniane w procesie interpolacji. Używana jest do tego interpolacja liniowa w trzech wymiarach (trilineal interpolation) wagowana odległością. Najbardziej widoczne jest to przy obiektach typu PET, DOSE oraz NM, ponieważ mają one relatywnie duże woksele. Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

4 Dose Deformation zmiana liczby wokseli

5 Volume Resampling przykład 1 u x = k=0 N k=0 N w k (x)u k w k (x) 1 w k x = d(x, x k ) p _Sheparda Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016 3? = = 4

6 Volume Resampling/Trilinear Interpolation ? = = 8? 7.5 5? = = =

7 Volume Resampling przykład 2 Kolejny przykład to sztywna transformacja jednego CT w inne; wtedy nie ma zmian objętości wokseli. Możliwe za to jest przesunięcie wokseli między oryginalnym i nowym CT (w poniższym przypadku jest to przesunięcie o ¼). Wtedy w efekcie takiej transformacji wartość nowego woksela będzie interpolowaną przy użyciu uśredniania wagowanego odległością. Z reguły transformowane CT ma mniejsze wartości maksymalne wokseli w odniesieniu do oryginalnego CT. Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

8 Dose Deformation przykładowy pacjent

9 Dose Deformation przykładowy pacjent

10 Dose Deformation przykładowy pacjent

11 QA ocena wizualna Lawson JD, et al. Quantitative evaluation of a cone-beam computed tomography planning computed tomography deformable image registration method for adaptive radiation therapy, Journal of Applied Clinical Medical Physics, 2007; 8(4):

12 QA - Deformable Wrap Map

13 QA - Deformable Wrap Map

14 QA - jakobian ciemnoniebieski i czarny zmniejszenie objętości (0 < j < 1) czerwony wzrost objętości (j > 1) Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

15 Dose Deformation trudny przypadek

16 Dose Deformation trudny przypadek

17 Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016 Wykorzystanie potencjalne

18 Wykorzystanie potencjalne - BED oraz EQD2 Dose Scaling Przed zsumowaniem dawek pochodzących z różnych rodzajów frakcjonowania lub rodzajów terapii, można najpierw przeskalować dawki fizyczne na zarówno dawkę skuteczną biologicznie (Biological Effective Dose, BED), jak i na równoważną radiobiologicznie dawce frakcyjnej równej 2 Gy (EQD2). Nie można sumować dawki fizycznej z biologiczną; jeśli jedna z nich jest przeskalowana, to druga też musi być dawką biologiczną. CT + dawka fizyczna [+ struktury] Do przeliczania dawki są stosowane odpowiednie równania. Liczba frakcji wpisywana ręcznie lub z planu. Należy tylko zaznaczyć wybrane struktury i zadać im odpowiednie wartości α/β. Tkanki nieokreślone również muszą mieć zadaną wartość α/β. Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

19 Wykorzystanie potencjalne - BED oraz EQD2 Dose Scaling Na wyjściu nowy plik dawki biologicznej oraz dokument zawierający szczegóły przeliczenia (równanie, liczba frakcji, α/β dla struktur oraz ostrzeżenia o ich nakładaniu) Z tak uzyskanymi dawkami można zrobić to wszystko, co z dawkami fizycznymi: wyświetlenie izodoz, ich zamiana na struktury, deformację na bryłę lub sumę dawek z innymi dawkami efektywnymi. Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

20 Biological Effective Dose (BED) Scaling Dla skali minutowej skali czasu użyte jest zwykłe równanie liniowokwadratowe (LQ), bez czynnika czasu, jako opis związku między niszczeniem DNA komórki (lethal lesions) a dawką fizyczną: uszkodzenia śmiertelne = αd + βd 2 gdzie D jest dawką. Przy niskiej dawce parametr liniowy, α, opisuje zdarzenie jonizacyjne, które skutkuje podwójnym pęknięciem łańcucha DNA i śmiercią komórki. Przy wyższych dawkach, parametr kwadratowy, β, opisuje oddzielne zdarzenia jonizacyjne, dające razem efekt podwójnego pęknięcia łańcucha DNA każde ze zdarzeń daje pęknięcie pojedynczego łańcucha, ale są one oddalone tylko o kilka par zasad i pojawiają się przed naprawą DNA. Wartości α oraz β są charakterystyczne dla danej tkanki, a ich iloraz α/β wskazuje wartość dawki fizycznej, dla której te dwa typy śmierci komórki mają taki sam udział. Jednostką ilorazu jest Gy. Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

21 Biological Effective Dose (BED) Scaling W skali makroskopowej, równanie LQ ma znaczenie kliniczne w odniesieniu do kontroli guza i późnych efektów komplikacji tkanek prawidłowych. Przyjmując rozkład Poissona zdarzeń śmiertelnych między komórkami, frakcja przeżywająca (surviving fraction, SF) jest opisana jako: SF = e (αd+βd2 ) BED skaluje dawkę fizyczną na frakcję (d) za pomocą charakterystycznych dla danej tkanki ilorazów α/β i liczby frakcji (n). Skalowanie BED może być użyte do porównania różnych planów leczenia przy użyciu punktu widzenia opartego na hipotezie log-kill komórek. To ujęcie nie uwzględnia re-proliferacji komórek guza w czasie napromieniania lub przerw między seansami. BED = nd 1 + d α β Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

22 Biological Effective Dose (BED) Scaling Na podstawie: Fowler JF, The radiobiology of prostate cancer including new aspects of fractionated radiotherapy, Acta Oncologica, 44(3):265:276, 2005 przyjęte zostały takie wartości:

23 Biological Effective Dose (BED) Scaling

24 Biological Effective Dose (BED) Scaling Dla dawek frakcyjnych 2 Gy (BEQD2) można powyższe równanie znormalizować: nd 1 + α d β BEQD 2 = α β Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

25 Biological Effective Dose (BED) Scaling

26 Biological Effective Dose (BED) Scaling

27 Biological Effective Dose (BED) Scaling

28 Biological Effective Dose (BED) Scaling

29 Biological Effective Dose (BED) Scaling α/β rectum = 6 Gy α/β bladder = 4 Gy α/β rectum = 10 Gy α/β bladder = 15 Gy

30 Biological Effective Dose (BED) Scaling α/β rectum = 6 Gy α/β bladder = 4 Gy α/β rectum = 10 Gy α/β bladder = 15 Gy

31 Biological Effective Dose (BED) Scaling kwadraty wyższe α/β dla narządów krytycznych trójkąty niższe α/β dla narządów krytycznych

32 Biological Effective Dose (BED) Scaling Ograniczenia skalowania prostego równania BED: - Dawki frakcyjne > 7 Gy. - Brachyterapia LDR. - Zależność czasowa. - Niepewność oznaczenia wielkości ilorazu α/β. 1. Barendsen GW. Dose fractionation, dose rate, and isoeffect relationships for normal tissue responses. Int J Radiat Oncol Biol Phys 1982;8: Fowler, J. F. 21 years of Biologically Effective Dose. The British Journal of Radiology, 2010; Song CW, et al. Radiobiology of Stereotactic Body Radiation Therapy/Stereotactic Radiosurgery and the Linear-Quadratic Model. Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys Park, CP, et al. Universal Survival Curve and Single Fraction Equivalent Dose: Useful Tools in Understanding Potency of Ablative Radiotherapy. Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. 2008; 70(3): AAPM Recommendations on Dose Prescription and Reporting Methods for Permanent Interstitial Brachytherapy for Prostate Cancer. Report of AAPM Task Group Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

33 Wykorzystanie potencjalne - Dose Summation Sumowanie dwu objętości dawek w jeden (Composite Dose Volume). Jest obojętne, czy jest to pojedyncze badanie CT z dwoma niezależnymi rozkładami dawki, czy też są to dwa niezależne badania CT, każdy ze swoim rozkładem dawki. Rozkład ten tworzy się na najnowszym (mającym być użytym donajnowszego planowania) badaniu CT. (CT z planu + struktury + dawka) + (nowe CT + nowa dawka) / nowa dawka ze starego CT W pierwszym przypadku jest to zwykłe sumowanie, nawet bez transformacji. W drugim jest transformacja deformacyjna między bryłami, po czym starszy rozkład dawki jest deformowany na nowszą bryłę. Na wyjściu jest transformacja między dwoma CT i rozkład dawki na nowsze CT (jeśli jest to ten przypadek) oraz suma dawek. Z izodoz można utworzyć struktury. Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

34 Wykorzystanie potencjalne - Structure Guided Deformation Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

35 Wykorzystanie potencjalne - Structure Guided Deformation Jest to hybrydowa technika łącząca informacje uzyskane od użytkownika ze standardowym algorytmem deformacyjnym. Posiada dwie cechy: - Structure guiding dopasowywane struktury są używane jako podstawy do deformacji. - Structure masking struktury mogą otrzymać inne wartości wokseli, nadane przez użytkownika (burn-in). Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

36 Wykorzystanie potencjalne - Create Reshaped W czasie rejestracji CBCT i CT do planowania można wykorzystać tę opcję do transformacji pierwotnej bryły CT tworząc syntetyczne CT (Synthetic CT). Tworzy się wtedy nowa bryła, której granice są takie same jak dla CT do planowania. W obszarze wspólnym dla tego CT i CBCT operacja zdeformuje pierwotne CT, a poza tym obszarem woksele zostaną na swoich miejscach. Wynikowa bryła ma identyczne wartości wokseli bryły pierwotnej, ale w regionie nakładania się jest dopasowana do CBCT za pomocą transformacji deformacyjnej. Jest to operacja tworzenia syntetycznego CT do planowania (synthetic planning CT). Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

37 Wykorzystanie potencjalne - Adaptive Monitoring Używane do śledzenia zmian deformacyjnych struktur między CT z planowania, a CBCT lub kvct. Dla każdego kolejnego CBCT/kVCT jest robiona transformacja deformacyjna do oryginalnego CT. Zaznaczone struktury są deformowane z CT do CBCT/kVCT za pomocą odwrotnej transformacji (inverse). Następnie struktury są kopiowane z powrotem do oryginalnego CT za pomocą sztywnej części transformacji. W dokumentacji są: przesunięcia struktur, zmiany ich objętości oraz DVH do porównania z oryginalnym DVH. Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

38 Wykorzystanie potencjalne Atlas Atlas jest predefiniowaną bryłą zawierającą zestaw predefiniowanych struktur. Atlasy są dedykowane do danego regionu anatomicznego. Segmentacja jest typu atlas-based. Wybiera się zestaw atlasów, a Velocity wybiera najlepszy z nich. Jest 5 zestawów: H&N (11), thorax (4), abdomen (6) oraz male pelvic (1, model-based). Można tworzyć swoje atlasy. Structure Deformation Transformuje struktury z jednego CT do drugiego na przykład przeplanowanie pacjenta na nowe CT. Potrzeba dwu CT i jednego RTStruct. Korzysta z transformacji deformacyjnej. Velocity User Manual, PD0001_USM, rev /24/2016

39 Podsumowanie + wymienione powyżej ;-) - brak korekcji artefaktów - problem z usunięciem bolusa przy deformacji dawki

40 Dziękuję za uwagę! Podziękowania: Aleksandra Grządziel Barbara Bekman Joanna Kopczyńska Tomasz Latusek