Obrazowanie w radioterapii

Obrazowanie w radioterapii Witold Skrzyński Centrum Onkologii Instytut im. Marii Skłodowskiej-Curie Zakład Fizyki Medycznej

Rola obrazowania w radioterapii Diagnoza, decyzja o terapii Planowanie leczenia Symulator, EPID Weryfikacja poprawności leczenia Lokalizacja narządów, gęstości tkanek (CT) Weryfikacja planu leczenia Diagnostyka obrazowa: CT, NMR, SPECT, PET-CT, USG, mammografia... Obrazowanie na akceleratorze: EPID, CBCT... Ocena skuteczności leczenia Diagnostyka obrazowa...

Planowanie leczenia Cel: zadana dawka w zadanej objętości Konieczne obliczenie rozkładu dawki w tkance Dane wejściowe Charakterystyka wiązek terapeutycznych Pomiary dozymetryczne: profile, PDG... Geometria pacjenta, położenie guza i narządów Dane obrazowe: CT, NMR, PET-CT... Parametry tkanki uwzględnienie niejednorodności CT mierzy współczynnik osłabienia promieniowania

Planowanie leczenia: Położenie guza i narządów Położenie narządów wewnętrznych względem punktów na powierzchni ciała Techniki obrazowania Rentgenowska tomografia komputerowa CT Podstawa planowania Informacja o położeniu i gęstości tkanek Magnetyczny rezonans jądrowy NMR Dobre uwidocznienie nowotworów Możliwe problemy z geometrią PET-CT Pozytonowa tomografia emisyjna Informacja o metabolizmie np. glukozy Badanie mało dostępne

Rezonans magnetyczny

PET-CT

Planowanie leczenia: Położenie guza i narządów Badanie do planowania badanie diagnostyczne Problemy Wykonanie badania Wielkość otworu (maski, unieruchomienia) Obecność technika z RT przy badaniu Różnica w informacji CT: gęstości (lub ukrwienie), MRI: czasy relaksacji, PET: metabolizm Nakładanie obrazów Badanie CT: sekundy/minuty Badanie PET/NMR: nawet kilkadziesiąt minut Zniekształcenia geometryczne w NMR

Planowanie leczenia: Gęstości tkanek Uwzględnienie niejednorodności tkanek Tkanki miękkie woda Płuca znacząco mniejsza gęstość Kości większa gęstość i znacząco inny skład Zależność oddziaływania od tkanki Radioterapia (MV) Efekt Comptona (zależny od ilości elektronów) Tworzenie par Tomografia komputerowa (kv) Efekt Comptona (zależny od ilości elektronów) Efekt fotoelektryczny (liczba atomowa pierwiastka) Do planowania potrzebne ρel

Planowanie leczenia: Gęstości tkanek Fantom z materiałami symulującymi tkankę Zależność między ρel a HU Wiązka: kv, filtracje Rozmiar fantomu Materiał fantomu

Planowanie leczenia: Gęstości tkanek 2000 1500 Masterplan 1000 Cadplan HU Siemens (120 kv) GE (120kV) 500 GE (80kV) GE (140kV) 0 GE CIRS body/head -500-1000 0 0.5 1 1.5 względna gęstość elektronowa

Planowanie leczenia: Gęstości tkanek

Planowanie leczenia: Gęstości tkanek 2000 1500 Masterplan Cadplan 1000 GE RMI body/body HU GE RMI body/head 500 GE RMI head GE CIRS body/head GE CIRS head 0 GE CIRS body out GE CIRS body in -500-1000 0 0.5 1 względna gęstość elektronowa 1.5

Gęstości tkanek: Środki kontrastujące Środki kontrastujące zafałszowują gęstość tkanki Przekłamanie w obliczeniach dawki! Największa różnica między tkanką a kontrastem: w płucach gęstość płuca kontrast kości Wpływ na obliczenia dawki rzędu 1-3% Możliwa korekcja HU

Weryfikacja planu: Symulator Symulator radioterapeutyczny Aparat rtg Detektor obrazu Kaseta z filmem Wzmacniacz obrazu (fluoroskopia) Matryca (flat-panel) Układ geometryczny jak w aparacie radioterapeutycznym Obrazy z punktu widzenia wiązki terapeutycznej Sprawdzenie poprawności ułożenia pacjenta i narządów względem zaplanowanych wiązek

Weryfikacja planu: Obraz z symulatora

Weryfikacja planu: Dokładność symulatora

Dokładność symulatora: Rozmiar izocentrum

Dokładność symulatora: Wskazanie środka pola

Dokładność symulatora: Zniekształcenia obrazu

Weryfikacja planu: Wirtualna symulacja Obrazy podobne jak z symulatora, w oparciu o dane z CT DRR Digitally Reconstructed Radiographs Konieczne dużo cienkich warstw

Weryfikacja planu: Wirtualna symulacja / DRR Zalety: Eliminacja dodatkowego kroku Bez pacjenta Bez dodatkowego urządzenia Obróbka: łączenie obrazów (np. MR), podbijanie tkanek miękkich/kości, wizualizacja PTV/OAR Jako obraz odniesienia do dalszej kontroli bliższy oryginału, w oparciu o który wykonano plan

Weryfikacja planu: Wirtualna symulacja / DRR Przeciw: Obraz zamrożony (symulator: na skopii ruchy oddechowe, lub rozmyty na skutek ruchu), ewent. kilka badań w różnych fazach Rozdzielczość w osi z Dużo danych! Szybkość vs jakość, wspomaganie kartą graficzną Jakość? Ograniczenie wielkości otworu CT Pacjent nie przyzwyczaja się do aparatu

Weryfikacja leczenia: Czy jest to potrzebne? Błędy w planie, symulacji... Błędy podczas napromieniania... Zewnętrzny układ odniesienia a napromieniane tkanki Niedokładności: unieruchomienie pacjenta ułożenie pacjenta ustawienie aparatu (SSD, lasery...) zmiany anatomiczne

Weryfikacja leczenia: Rola obrazowania

Weryfikacja leczenia: Obrazowanie portalowe Obrazowanie w wiązce terapeutycznej Bezpośrednie sprawdzenie położenia wiązki względem napromienianych narządów (tylko portal) Niski kontrast [MV], widoczne struktury kostne

Weryfikacja leczenia: Porównywanie obrazów Symulator vs portal

Weryfikacja leczenia: Porównywanie obrazów Porównanie obrazu portalowego z obrazem odniesienia (z symulatora lub DRR) Porównanie jakościowe lub ilościowe (obrysowanie krawędzi struktur, nałożenie) Wielkość i kształt pola Położenie pola względem struktur anatomicznych (przesunięcia i obroty) Możliwość wprowadzenia poprawek przed rozpoczęciem napromieniania (ruch stołem)

Weryfikacja leczenia: Analiza wyników Kontrola przy pierwszych frakcjach Możliwe błędy w planie lub realizacji radioterapii (ułożenie pacjenta, ustawienia aparatu) Kontrola podczas dalszych napromieniań Możliwe zmiany anatomiczne (masa ciała, odwodnienie) Wielkość błędów przypadkowych i systematycznych dla każdego z pacjentów dla całej grupy Wielkość błędów dla danej techniki napromieniania Określenie marginesów napromieniania

Weryfikacja leczenia: Obrazowanie portalowe Film W kasecie W kopercie Bez niczego EPID Electronic Portal Imaging Device Ekran fluorescencyjny + kamera (geometria?) Układ komór jonizacyjnych Ekran fluorescencyjny + matryca krzemowa

Weryfikacja leczenia: Technologie EPID Komory jonizacyjne Matryca 256 256 komór jonizacyjnych wypełnionych cieczą Rozmiar detektora 32 32 cm Rozmiar komory 1.27 1.27 mm Czas rejestracji obrazu od 1.5 do 6 sekund (w zależności od pożądanej jakości) Detektor oparty na matrycy krzemowej Płyta 1 mm Cu Scyntylator ~0.5 mm Układ fotodioda + tranzystor Matryca 40 30 cm, 512 384 pikseli Rozmiar piksela 0.784 0.784 cm Minimalny czas rejestracji obrazu 0.2 s

Ekran fluorescencyjny + matryca krzemowa

EPID: Akwizycja danych, artefakty Poziome linie Pionowe linie niestabilność napięcia niestabilność wiązki zła synchronizacja z wiązką różnice w pracy elektrometrów Także dla asi

EPID: Korekcja niejednorodności Kalibracja - rejestrowanie serii obrazów Zaleta dobry obraz (brak artefaktów, linii) Wada obraz bez promieniowania - odjęcie tła obraz dla wiązki otwartej - korekcja niejednorodności układu detekcyjnego Obraz pola otwartego jest jednorodny (zafałszowana informacja dozymetryczna) Wpływ momentu wykonywania kalibracji polem otwartym (stabilność wiązki?)

EPID: Korekcja niejednorodności

Kontrola jakości obrazu EPID Jakość obrazu Fantom Las Vegas Subiektywność (serwis ma lepszy wzrok) Różnice w grubości fantomu między producentami, a nawet u jednego producenta! Geometria (kalibracja położenia kasety) Obraz jest rejestrowany na pewnej głębokości pod powierzchnią detektora

EPID: Inne zastosowania Dozymetria (weryfikacja dmlc) Dobra charakterystyka dawka-sygnał Szybkość rejestracji danych Kontrola akceleratora Jednorodność i symetria wiązki

Kontrola ułożenia pacjenta: MV CBCT CBCT Cone-beam CT W oparciu o EPID bez dodatkowego wyposażenia Źródło promieniowania = źródło terapeutyczne Jakość obrazu: widoczne tylko struktury kostne Ułożenie pacjenta względem układu odniesienia akceleratora

Kontrola ułożenia pacjenta: Obrazowanie kv Dodatkowe źródło promieniowania rtg (kv) i detektor Obraz lepszy niż dla MV

Kontrola ułożenia pacjenta: Obrazowanie kv Także CBCT

Kontrola ułożenia pacjenta: kv CBCT

kv CBCT: Geometria

kv CBCT: Kalibracja geometryczna Izocentrum: kv a MV Kalibracja na ugięcie ramion Kontrola Środkowy piksel Wymiary w obrazie Jakość obrazu Pacjent testowy

kv CBCT: Jakość obrazu Kalibracja obrazu: Jak EPID Kalibracja trybu CBCT (np. jednorodny fantom) Szeroki kąt wiązki = szum Jakość niższa niż w CT Możliwe także zwykłe CT w bunkrze!

CBCT: MV vs kv Każda z technik ma zalety. Jakość obrazu Dawka Źródło i detektor Geometria Protezy kv CBCT MV CBCT prawie CT niższa dodatkowe skomplikowana artefakty niska (kości) wyższa już jest prosta dobry obraz

Ruchy oddechowe: Rozszerzenie PTV Pacjent nie jest bryłą sztywną Typowe badanie CT do planowania Ruchy oddechowe Ruchy narządów Czas obrotu lampy ~1s Kolejne warstwy w różnych fazach oddechu, lub przy zatrzymanym oddechu Obraz nie oddaje ruchów oddechowych PTV na podstawie sumarycznego CT (na wdechu + na wydechu) Lepsze pokrycie nowotworu kosztem zdrowych tkanek

Ruchy oddechowe: Bramkowanie Obrazowanie i napromienianie tylko np. na wdechu

Ruchy oddechowe: Bieżąca korekcja 4D CT Plan dynamiczny Obrazowanie kv & obserwacja ruchów Podążanie za ruchem: dmlc Ruch ramienia

Ruchome narządy: Znaczniki Prostata Nie widać w MV, niemożliwa weryfikacja EPID EPID: widoczne kości miednicy, ale prostata rusza się względem nich (wypełnienie pęcherza itp.) Rozwiązanie: wszczepione złote markery do prostaty

Ruchome narządy: Znaczniki kv CBCT widać i markery, i samą prostatę => możliwe porównanie portal (MV) i CBCT (kv), pozycja markerów zgodna pozycja markerów a prostata (tkanki miękkie) - różnice! prostata bryła sztywna Problemy z markerami: słaba widoczność, migracja

Ruchome narządy: Ultrasonografia Sprawdzanie położenia prostaty Porównanie z CT (DRR) Trudności Położenie sondy Obserwacja położenia sondy (kamery, układ odniesienia pomieszczenia) Ramię stereotaktyczne (każdorazowo kalibrowane przez umieszczenie sondy w znanej pozycji względem gantry) Obrysowywanie struktur US a DRR

Obrazowanie kv: Inne rozwiązania Układ kv związany z bunkrem, a nie z akceleratorem

Obrazowanie MV: Inne rozwiązania MV CT zamiast MV CBCT Tomoterapia Akcelerator o geometrii spiralnego CT Weryfikacyjne obrazowanie MVCT przed napromienianiem Pole obrazowania 40cm

Dawki Dawki w obrazowaniu medycznym Zdrowa pacjentka, mammografia przesiewowa: dawki ~3 mgy uważamy za duże Pacjent onkologiczny, badanie CT: dawki ~50 mgy są zaniedbywalne Do 20% dawki poza targetem może pochodzić od obrazowania (MV) (Harrison 2006)

Dawki CT kv CBCT Podobnie jak CT, zależnie od jakości obrazu 0,06 2,5 cgy (Elekta) MV CBCT Kilka cgy, zależy od aparatu i doboru parametrów 5-15 cgy (Siemens) EPID Zależy... (można obliczyć w TPS)

Rola obrazowania w radioterapii Planowanie leczenia Weryfikacja planu leczenia Symulator, wirtualna symulacja, EPID... Weryfikacja poprawności leczenia i ułożenia pacjenta Lokalizacja narządów (CT, NMR, PET), gęstości tkanek (CT)... Obrazowanie na akceleratorze: EPID, 2D kv, kv/mv CBCT, US... Zniekształcenia geometryczne, kalibracja i ugięcie ramion, jakość obrazu, czas badania, dawki, dokładność danych o gęstości

Obrazowanie w radioterapii Dziękuję za uwagę Witold Skrzyński Centrum Onkologii Instytut im. Marii Skłodowskiej-Curie Zakład Fizyki Medycznej