Techniki Napromieniania Tomasz Piotrowski Zakład Fizyki Medycznej,Wielkopolskie Centrum Onkologii, Poznań Zakład Elektroradiologii, Uniwersytet Medyczny, Poznań
Geometria promieniowania Podstawowe parametry: - wartość obrotu głowicy aparatu terapeutycznego wokół pacjenta, - pozycja stołu terapeutycznego, - wartość obrotu kolimatora (rotacja pola wokół osi wiązki prom.), - wielkość pól terapeutycznych wiązki promieniowania. Wszystkie akceleratory stosowane w radioterapii wyposażone są we wskaźniki określające wyżej wymienione parametry wiązki terapeutycznej. P(F) = P(FI) * F/FI Z FI a I b a - oś obrotu ramienia głowicy b - oś centralna wiązki promieniowania I punkt izocentryczny FI odległość izocentryczna F dowolna odległość od źródła Z P pole Pole W większości aparatów terapeutycznych promieniowanie jest emitowane ze źródła w obszar o kształcie ostrosłupa o podstawie prostokąta (ma charakter rozbieżny). Wymiary boków tego prostokąta można zmieniać, dzięki czemu zmianie ulega wymiar pola promieniowania (ruchome szczęki - ograniczniki wiązki).
Geometria promieniowania Metoda izocentryczna: 1 900 SSD1=FI-d1 FI 2 - odległość źródło punkt centrowania (izocentrum) zawsze taka sama; - zmienna odległość SSD zależna od głębokości d; d1 d2 SSD2=FI-d2 - podstawowa metoda F w wielowiązkowej terapii wykorzystującej promieniowanie fotonowe (X,γ); - wykorzystywana także w jednowiązkowej terapii fotonowej; - terapia rotacyjna szczególny przypadek metody izocentr. - NIE stosowana w terapii elektronowej. I
Geometria promieniowania Metoda SSD: 1 - odległość źródło skóra (SSD) zawsze taka sama (SSD=FI); - warunek SSD=FI uzyskiwany dzięki zmianie położenia stołu terapeutycznego d1 2 - podstawowa metoda w jednowiązkowej terapii wykorzystującej promieniowanie fotonowe (X,γ) oraz w terapii elektronowej; - BARDZO RZADKO stosowana w wielowiązkowej terapii fotonowej; SSD1=FI FI FI d2 SSD2=FI
Energia promieniowania terapeutycznego Wybór rodzaju i energii promieniowania uzależniony jest od lokalizacji obszaru napromieniania w ciele pacjenta. Najczęściej stosowanymi energiami są: fotony γ: 1.25 [MeV], X: 4-20 [MeV], elektrony 6-21 [MeV]. X 6 MV X 20 MV E 6 MeV E 12 MeV 20 cm Co-60 Fotony Elektrony E 18 MeV
Ukośne wejście bolusy, kompensatory
Bolusy 1. Wykonane z materiału imitującego tkankę, umocowane w zetknięciu ciałem, 2. Stosowane w celu usunięcia nadmiaru dawki (niewielki nadmiar), przesunięcia build-up poza obszar napromieniany (podwyższenie dawki na skórze).
Metody optymalizacji kształtu izodozy Filtry automatyczne - modyfikatory wiązki w kształcie klina zbudowane z materiału o dużej gęstości (stal, mosiądz, stop ołowiu) Kliny dynamiczne - wykorzystują możliwość przesuwania jednej z szczek kolimatora w trakcie napromieniania. Kąt nachylenia klina - kąt nachylenia izodozy (linii jednakowej dawki) na określonej głębokości (zwykle 10cm) do prostej prostopadłej do CAX. W praktyce wykorzystuje się kliny: 10o,15o, 20o,25o, 30o, 45o, 60o A Q B 150 300 450
Metody optymalizacji kształtu pola Osłony i MLC osłabienie > 5 warstwom półchłonnym Osłony: stop Wood a, T< 3% MLC: stop wolframu i met. ciężkich, T < 3%; Stop Wood a: (Pb 50%, Sn 25%, Cd 20% oraz Cu, Sb, Fe, As, Bi 5%), źródło osłona rozbieżna szczęki kolimatora osłona prostopadłościenna osłona płyta pleksiglasowa powierzchnia głębokość pomiaru dawki D<5% D=100 D<5% % 100%>D>5% obszar napromieniany obszar napromieniany obszar napromieniany
Wpływ technologii na metody fizycznego planowania i realizacji leczenia promieniowaniem jonizującym Planowanie 1D (jednowymiarowe) obliczanie czasu niezbędnego do podania określonej dawki (DZ) w określonym punkcie ciała pacjenta. Wymiarem jest oś centralna wiązki promieniowania. Istnieje możliwość uwzględnienia niejednorodności ośrodka detektowanej w osi wiązki. F powietrze napromieniany ośrodek powierzchnia tkanka miękka d1 płuco d2 tkanka miękka d3 P Obecnie stosowana jako przybliżona weryfikacja rozkładu dawki w osi wiązki dla nieskomplikowanych metod napromieniania.
Wpływ technologii / / Metoda Irregular Planning ( 1.5D ) Symulator RTG 1 dwa zdjęcia RTG 3 ustalenie punktu RP 2 określenie rozmiaru pól 4 MLC i kalkulacja dawki
Wpływ technologii / / Planowanie 2D obliczanie czasu niezbędnego do podania określonej dawki (DZ) w określonym punkcie ciała pacjenta. Możliwość dwuwymiarowej wizualizacji rozkładu dawki. Układem dwuwymiarowym jest skan tomograficzny lub obrys. Uwzględnienie niejednorodności ośrodka detektowanej w płaszczyźnie 2D oraz przyczynków promieniowania wtórnie rozproszonego w ośrodku (na płaszczyźnie). Rozkłady izodoz składanych ręcznie lata 80-te XX w.
Izodozy z i bez uwzględnienia różnic gęstości bez uwzględnienia różnic z uwzględnieniem różnic
Łączenie wiązek tzw. gorący punkt (wyżej) i zimny punkt (niżej) Osłony. Stosowane w celu osłonięcia części pola napromienianego, tj. znacznego obniżenia dawki w pewnych obszarach, np. osłony płuc. Zagrożenia Cały obszar pod osłoną otrzyma niższą dawkę, np. osłona na rdzeń w polu AP spowoduje, że śródpiersie też otrzyma niższą dawkę. Planowanie 2D nie umożliwia wizualnej weryfikacji rozkładu dawki w miejscu łaczenia pól oraz np. wpływu zastosowanego modyfikatora rozkładu dawki (bolus, klin) w osi cranial-caudal
Planowanie 3D. Źródło podstawowych informacji o anatomii pacjenta, wykorzystywanych w planowaniu 3D 1. Tomografia komputerowa (CT) podstawowa metoda wizualizacji anatomii pacjenta, wykorzystywana w procesie komputerowego planowania leczenia (TPS) w radioterapii. Podstawowy argument: ścisła zależność pomiędzy wartościami skali szarości [HU] i gęstościami (dla pikseli czystych skanów CT bez kontrastu) - uwzględniana w trakcie obliczeń dawek. Niedoskonałości metody: anatomicznych o zbliżonych (tkanki miękkie). - niezadowalająca wizualizacja struktur gęstościach - brak informacji o metabolizmie guza i tkanek zdrowych.
Kwantyfikacja obszaru napromieniania 1. GTV (gross tumor volume): obszar litego guza określonego w trakcie badań diagnostycznych 2. CTV (clinical target volume): obszar litego guza powiększony o objętość subklinicznego rozsiewu guza nowotworowego. Obszar subkliniczny rozsiewu: - nie można stwierdzić istnienia litego guza, - prawdopodobieństwo występowania pojedynczych komórek zmienionych nowotworowo jest bardzo wysokie. 3. PTV (planning target volume): planowany obszar napromieniania w którym należy zawrzeć: - GTV + CTV lub sam CTV w przypadku braku GTV - obszar ruchomości własnej (miomowolnej) CTV: IM (internal margin) - dodatkowy obszar uwzględniający potencjalny błąd ułożenia pacjenta na aparacie SM (setup margin)
Narządy krytyczne 1. Podział na cztery podstawowe grupy: a/ narządy szeregowe proste (np. rdzeń kręgowy) b/ narządy równoległe proste (np. płuca) c/ narządy o hierarchii podzespołowej - szeregowo-równoległe (np. serce) d/ struktury mieszane (np. nefron)
Dwie strony medalu: TCP i NTCP 1. TCP (tumor control probability) zależność prawdopodobieństwa wyleczenia od wartości i sposobu (frakcjonowanie) podania dawki promieniowania jonizującego. Szereg modeli radiobiologicznych spośród których należy wymienić: - model oparty na rozkładzie Poissona, Munro & Gilbert, podwaliny modelu liniowo-kwadratowego opisującego zależność dawka-odpowiedź TCP = exp[-noexp(-ad-bdd)] - model logistyczny, model analityczno-matematyczny, brak prostej interpretacji radiobiologicznej TCP = exp(u)/[1+exp(u)] u=a0+a1d+a2dd+. 2. NTCP (normal tissue complication probability) prawdopodobieństwo powikłań w tkankach zdrowych. Modele opisujące narządy: - szeregowe - równoległe
Trójwymiarowe planowanie radioterapii Cel: - Objęcie PTV zadaną izodozą, uzyskanie zadanych parametrów statystycznych rozkładu dawki w całej objętości PTV. - Przestrzenna ocena dawek w narządach krytycznych. Jak to osiągnąć: - Skany TK co 0.5-0.8-1.0 cm, - Obrysowanie PTV, NK (OAR) na wszystkich skanach, - Symulacja RTG, - Dobór osłon, położeń głowicy, kolimatora, stołu, kompensatorów. - Obliczenie histogramów dawek.
3DCRT (trójwymiarowe konformalne) - Możliwość trójwymiarowej wizualizacji obliczonego rozkładu dawki oraz statystycznej interpretacji zależności dawka narząd. - Uwzględnia niejednorodności ośrodka oraz promieniowanie wtórnie rozproszone w ośrodku. W celu konformalizacji rozkładu dawki (jak najlepszego dopasowania izodozy terapeutycznej zazwyczaj 95% do obszaru napromieniania PTV) istnieje możliwość kontrolowanego zastosowania statycznych modyfikatorów rozkładu dawki tj: kliny, kompensatory, osłony indywidualne lub statyczne MLC. Kontrolowane = podlegające weryfikacji w trakcie planowania
pierś po mastektomii: elektrony 6 i 9 MeV, pola tangencjalne.
IMRT (intensity modulated radiotherapy) - W odróżnieniu od 3DCRT rolę modyfikatora rozkładu dawki spełnia dynamiczny MLC, modelujący w trakcie napromieniania kształt pola terapeutycznego, przez co modulowane jest natężenie dawki pochłanianej w 3D poszczególnych częściach obszaru napromieniania 3DCRT i OAR. Dwie podstawowe metody: - Dynamiczna (sliding window) - Sekwencyjna (step & shot) IMRT
3D conformal IMRT sagital plane transversal
IGRT (image guided radiotherapy) Techniki konformalne 3DCRT, IMRT dla których realizacja ułożenia pacjenta na stole terapeutycznym jest weryfikowana oraz (jeśli zachodzi taka konieczność) automatycznie modyfikowana bezpośrednio przed rozpoczęciem seansu terapeutycznego. Istnieje także możliwość oceny ruchomości wewnętrznej obszaru napromieniania oraz OAR.
DART (dynamic adaptive radiotherapy) Techniki konformalne 3DCRT, IMRT, IGRT dla których dzięki synchronizacji periodycznych cykli fizjologicznych determinujących ruchomość wewnętrzną obszaru napromieniania oraz podzespołów akceleratora terapeutycznego sterujących dynamiką ruchu układu kolimującego MLC lub bramkujących emitowane promieniowanie jonizujące możliwe jest napromienianie zredukowanego (o ruchomość wewnętrzną) obszaru napromieniania. IMRT DART
Gated RT (Podstawowa metoda DART) Bramkowanie w trakcie: wykonywania skanów TK oraz adekwatnie - w trakcie napromieniania na akceleratorze terapeutycznym
Radioterapia stereotaktyczna 1. Jednorodny rozkład dawki, 2. Brak tzw. gorących punktów, 3. Gwałtowny spadek dawki promieniowania poza obszarem leczonym - możliwość napromieniania zmian położonych blisko struktur krytycznych 10 % 95 % 30 % 50 % 10 %
Tomoterapia
Metody planowania forward & inverse planning Forward planning - Planowanie: 2D, 3D, 3DCRT, proste przypadki planowania IMRT techniką step and shot - Polega na optymalizacji rozkładu dawki statycznymi akcesoriami wykorzystywanymi jako modyfikatory rozkładu dawki: statyczne MLC, osłony indywidualne i standardowe, kompensatory, kliny - Proces optymalizacji przebiega wg schematu: 1/ wybór zestawu akcesoriów lub/i procedur modyfikujących rozkład dawki; 2/ weryfikacja uzyskanego rozkładu dawki; 3/ akceptacja lub powrót do punktu pierwszego. Inverse planning - Planowanie: IMRT, IGRT, DART, Tomotherapy - Proces odwrotnego planowania rozkładu dawki. Definicja (przez osobę planującą) statystycznych parametrów dawki w poszczególnych OAR oraz obszarze napromieniania inicjuje komputerowy proces wyszukiwania najbardziej optymalnej sekwencji ruchu poszczególnych listków MLC płynnie (sliding window) bądź skokowo (step and shot) zmieniających swoją pozycję w trakcie napromieniania. W obu przypadkach geometria promieniowania (ilość wiązek i ich orientacja przestrzenna) ustalane są ręcznie przez osobę planującą.
Ocena planu leczenia i jego odtwarzalności 1. System planowania leczenia - wizualna : graficzna interpretacja rozkładu dawki w ciele pacjenta, określanie jakościowe (dobrze/źle); - statystyczna: parametryczna ocena rozkładu dawki, analiza statystyk opisowych oraz zależności dawka-objętość; 2. Symulator RTG - odwzorowanie wirtualnego planu leczenia na pacjencie; - ocena poprawności odwzorowania na podstawie analizy zgodności obrazów DRR ze zdjęciami RTG; - weryfikacja odtwarzalności planu leczenia (potencjalne kolizje); 3. Aparat terapeutyczny - weryfikacja (każdorazowo) - ocena poprawności ułożenia pacjenta na podstawie: 1/ każdorazowo - zgodności punktów lokalizacyjnych (na ciele pacjenta) z układem centratorów laserowych, itp 2/ zgodności obrazów EPID ze zdjęciami RTG lub DRR; - dozymetria kliniczna
TPS ocena wizualna Czy można jednoznacznie na podstawie graficznej interpretacji rozkładu dawki stwierdzić czy plan leczenia jest dobry? Co znaczy dobry? Może lepszy? Dlaczego lepszy?? =
TPS ocena statystyczna 1. Podstawowe elementy statystyki opisowej wyrażone w [%] lub w [Gy]. - Volume Dmin Dmax Dmean Dmod Dmed STD 2. Analiza histogramowa zależności dawka-objętość - histogramy: kumulacyjny, różnicowy
Analiza histogramowa Do omawianych wcześniej zagadnień statystyki opisowej należy uwzględnić: - Informacje o dawkach tolerancji dla poszczególnych OAR - Charakterystykę odpowiedzi poszczególnych OAR - Priorytety terapeutyczne postawione przez lekarza radioterapeutę Dopiero po uwzględnieniu powyższych informacji można stwierdzić czy plan leczenia jest dobry/zły oraz pokusić się o ewentualne porównanie kilku alternatywnych planów leczenia. Dopiero wtedy możemy powrócić do zadanego wcześniej pytania i postarać się odpowiedzieć który z dwóch zaprezentowanych planów jest lepszy i czy oba plany są planami dobrymi.