INCERTEZZA GEOMETRICA E DEFINIZIONE

DEI MARGINI IN RADIOTERAPIA

TIPI DI ERRORE IN RADIOTERAPIA

T.S.R.M. Trippolini Romano

ICRU Report 50 (1993) e Report 62 (1999)

Bersaglio clinico (CTV)► volume di tessuto che,

sulla base di fattori puramente oncologici e biologici,

contiene un GTV dimostrabile e/o malattia microscopica

a livello subclinico che deve essere trattato in modo adeguato.

Planning Target Volume (PTV)►

un concetto geometrico

utilizzato nella pianificazione del trattamento

per assicurare che la dose prescritta sia

effettivamente somministrata al CTV

È necessario aggiungere al CTV un margine anisotropo

per tener conto dell’indeterminazione geometrica della forma

e della posizione degli organi rispetto ai fasci di irradiazione,

cioè rispetto al sistema di coordinate della sala di trattamento.

Report ICRU►le sorgenti di indeterminazione

sono suddivise

in movimento interno degli organi

che determina unmargine interno (IM)

e in imprecisione del centraggio esterno

che determina unmargine di set-up (SM)

Tali margini non vanno

semplicemente sommati,

ma combinati in

quadratura. quadratura.

IM

SMTM

2D

J.C. Stroom et al. / Radiotherapy and Oncology 47 (1998) 297–302

3D

Report ICRU► anche per gliorgani a rischio (OR)

definisce un margine per compensare

variazioni e indeterminazioni:

Planning Organ at Risk Volume (PRV)

Considerazioni:

1. la penombra del campo non viene presa in considerazione

nell’aggiuntadi marginiai volumi clinicinell’aggiuntadi marginiai volumi clinici

2. PTV e PRV possono sovrapporsi

3. il PTV e il PRV possono estendersi oltre la cute del paziente

CTV

PTV

CTV

PTV

Dosim. PTV

Successivamente alla pubblicazione del report

n. 62 dell’ICRU

1. l’uso crescente di differenti e sempre più accurate eintegrate modalità di imaging

2. l’introduzione di tecniche di trattamento conformate e diIMRT, che richiedono una più precisa delimitazionedegli organi e dei volumi clinici

► hanno favorito numerosi studi sull’incidenza delleincertezze geometriche.

I margini da aggiungere ai volumi clinici possono

oggi esserequantificati in modo conseguente

non più valutatisolosulla base dell’esperienza e del

giudizio del medico radioterapista.

Dimensioni del margine CTV► PTV

contemperare due esigenze:

1. il controllo locale del tumore

2. il contenimento del rischio agli organi sani

La somministrazione di una dose adeguata ha effetto

sulla probabilità di controllo locale della malattia (TCP):

La presenza di un punto freddo, con riduzione di dose

maggioredel 20% nell’1% del volume bersaglio,comportamaggioredel 20% nell’1% del volume bersaglio,comporta

una sostanziale riduzione del TCP (del 9-11 %), anche se

l’80% del bersaglio riceve un boost simultaneo del 10%

(Tomé WA, Fowler JF. -Med Phys2002;29:1590-1598)

Sorgenti di errore: errori di set-up

possono essere determinati e corretti confrontando le

immagini portali (su pellicola o elettroniche) con le

immagini ottenute in fase di pianificazione

(radiografie al simulatore o DRR), utilizzando le

strutture ossee come riferimento.

errori di set-up

Le deviazioni sistematichepossono essere ridotte per

ogni singolo paziente con verifiche nelle prime frazioni di

trattamento(metodo off-line)

Gli scostamenti sia casuali che sistematicipossono

essere ridotti verificando la posizione del paziente ad ogni

trattamento e correggendo la posizione del lettino di

trattamento(metodo on-line), ma con un gran dispendio

di tempo

movimento interno degli organi

non può in genere essere visualizzato radiologicamente.

Principali tecniche per ridurre tale sorgente di errore:

1. uso di marker radioopachi impiantati nel CTV con

conseguente correzioneon-line del centraggio

2. ripetuti esami tomografici per valutareoff-line il

movimento interno degli organi

Prostate motion - S. MALONE et al.

I. J. Radiation Oncology Biology Physics Volume 48, Number 1, 2000

Patient-specific PTV for prostate cancer treatment - D. YAN et al.

I. J. Radiation Oncology Biology Physics Volume 48, Number 1, 2000

Il movimento intra-frazione del CTV aumenta l’incidenza

degli scarti casuali (deglutizione, respirazione, battito

cardiaco, movimenti muscolari volontari e non)

Tecniche complesse sono state proposte per ridurre tali

effetti:effetti:

1. movimento in tempo reale del lettino

2. controllo della respirazione

3. irradiazione con gating respiratorio

Nonostante l’uso di vari accorgimenti per ridurre le

cause di errorel’incertezza geometrica residuadeve

essere verificata per ogni specifico gruppo di pazienti.

► valutazione delle variazioni di posizione degli organi

rispetto ai campi di terapia

� siatra individui all’interno del gruppo analizzato

� sia in uno stesso pazientetra le diverse frazioni

di trattamento e durante il trattamento stesso.

Analisi statistica degli errori

1. errore sistematico compiuto nella pianificazione deltrattamento (variazioni nellapreparazione)

2. errori casuali nell’esecuzione del trattamentofrazionato.

Il piano di trattamento viene effettuato su un’immaginedel paziente congelata in una data posizione,praticamente su unfantoccioimmobile e indeformabile

Il trattamento si esegue sul pazienterealeche si muovee viene riposizionato per ogni frazione.

Gli errori casuali possono essere validamente descritti intermini di allargamento della penombra (blurring), con laseguente formula per la deviazione standard totale (σt):

mentrela varianzadegli errori casualiè:

2222psmt σσσσ ++=

mentrela varianzadegli errori casualiè:

gli indici indicano: movimento dell’organo, variazione diset-up epenombra.

(van Herk Met al.- Int J Radiat Oncol Biol Phys2000;47:1121-1135)

222sm σσσ +=

errori casuali. Il margine da aggiungere è dato da:

)( pt σσβ −⋅

che può essere approssimato con: σγ ⋅Il valorenumericodi β dipendedallasceltadellasuperficiediIl valorenumericodi β dipendedallasceltadellasuperficiedi

isodose minima.

Supponendo per la penombra una DS di 3.2 mm, gli autori

citati ricavano valori approssimati diγ (per un’isodose

minima del 95%⇒ β = 1.64 eγ = 0.7).

(van Herk 2)

Il prolungamento del tempo di irradiazione nei trattamenti

IMRT richiede una più attenta valutazione delmovimento

degli organi intra-frazione

Uno studio recente ha esaminato un gruppo di pazienti

trattati per tumori della testa e del collo con sistemi di

contenzione termoplastici di testa, collo e spalle

(Suzuki Met al. - Radiother Oncol2006;78:283-290)

Errori sistematici

(compiuti nella preparazionedel trattamento)

Si devono sommare le varianze degli errori diset-up, di

movimento degli organi e didelineazione dei volumi:

2222dms Σ+Σ+Σ=Σ dms Σ+Σ+Σ=Σ

L’errore di preparazione è un errorecasualeappartenente alla

stessa popolazione statistica degli errori di esecuzione di ogni

singola frazione.

Essendo però compiuto in fase di pianificazione, si ripercuote

in modo sistematicosull’intero trattamento.

Inclusion of geometric uncertainties ●

M. VAN HERK et al.

I. J. Radiation Oncology ● Biology ●Physics Volume 52, Number 5, 2002

The probability of correct target dosage - M. VAN HERK et al.

I. J. Radiation Oncology Biology Physics Volume 47, Number 4, 2000

Il margine CTV►PTV può essere calcolato per un certo livello

di confidenza, corrispondente a una frazione dei pazienti della

popolazione considerata.

Diverse distribuzioni statistiche si ottengono considerando una

geometriain 1D, 2D e3D:geometriain 1D, 2D e3D:

� per un trattamento completamente conformato è necessario

un calcolo del margine 3D

� mentre con due campi contrapposti conformati è più adatta

la geometria 2D.

Il margine per ottenere il PTV si calcola combinando le

deviazioni standard degli errori sistematici e casuali moltiplicate

da opportuni fattori peso:

σγα ⋅+Σ⋅=PTVm

La ricettaper il marginepropostadalgruppodi AmsterdamLa ricettaper il marginepropostadalgruppodi Amsterdam

(McEnzie A, van Herk M, Meijnheer B. -Radiother Oncol2002;62:299-307)

mira ad assicurare una dose minima del 95% al CTV nel 90% dei

pazienti trattati:

σ⋅+Σ⋅= 7.05.2PTVm

Distribuzioni di probabilità:

• 1D: la proiezione lungo un’asse del CTV

è contenuta nella proiezione del PTV

• 2D: la proiezione su un piano del CTV è • 2D: la proiezione su un piano del CTV è

contenuta nella proiezione del PTV (BEV)

• 3D: l’intero volume del CTV è contenuto

nel PTV

CTV CTV

PTVPTV

Espansione 2D

2.15ΣEspansione 1D

1.64Σ

Un altro gruppo di autori(Stroom JCet al. - Int J Radiat Oncol Biol

Phys1999;43:905-919)simula sia tramiteconvoluzioneche con

metodo diMonte Carlo un trattamento frazionato

• campiona le traslazioni e le rotazioni del CTV dalle• campiona le traslazioni e le rotazioni del CTV dalle

distribuzioni di probabilità degli errori sistematici e casuali

• ottiene una probabilità di copertura da parte del CTV dei

vari punti dello spazio

Il margine per assicurare che una dose non inferiore

al 95% sia somministrata in media al 99% del CTV è

dato da:

σ⋅+Σ⋅= 7.00.2PTVm

(Stroom 2)

Le tecniche per contenere gli errori geometrici e i

metodi analitici per determinare i margini da

aggiungere ai volumi clinici sono basati

principalmente su traslazioni nello spazio e nonprincipalmente su traslazioni nello spazio e non

tengono conto in modo adeguato degli spostamenti

dovuti a rotazione o deformazione degli organi,

soprattutto di grande entità.

Per la prostata, l’incertezza dovuta alla

rotazione attorno all’asse laterale è stata

valutata in4° (1 DS), con asse passante per

l’apice della prostata.

Il margine deve essere determinato in modo

completamente anisotropo.

Il margine CTV⇒PTV è stato calcolato con tecnica

di Monte Carlo, selezionando il livello di

confidenza (95% della dose nel 90% dei pazienti),

per i 6 gradi di libertà di traslazione e di rotazione

(Remeijer, Rasch, Lebesque, van Herk -Int J Radiat Oncol

Biol Phys 2002; 53:464-474), ma il calcolo va

effettuato per ogni CTV e non è possibile ricavare

una espressione analitica.

Remeijer, Rasch, Lebesque, van Herk -Int J Radiat Oncol Biol Phys2002; 53:464-474

Organi a rischio: non esistono formule e procedure

univoche e in letteratura i contributi sono scarsi

Il problema è legato anche alla interpretazione

• degli istogrammi dose volume (DVH ),

• deivincoli dose/volume

• della valutazione delloNTCP

che sono basati sul volume realedell’organo e non

sul volume espanso.

Organi a rischio

L’aggiunta di un margine (PRV) e la sua dimensione

devono essere valutati per ogni singolo caso sulla

basedi:basedi:

• dimensione dell’organo

• struttura prevalentemente parallela o seriale

• livelli di dose coinvolti.

Il margine può essere determinato generalmentecongeometria 1D(midollo spinale nel trattamentodel polmone), ma in alcuni casi congeometria 2D(quando la distribuzione di dose in trattamentiIMRT circonda l’organo a rischio da 3-4 direzioni)o geometria 3D

Una formula proposta, riferita principalmente adorgani seriali o di piccole dimensioni, è:

σ⋅+Σ⋅= 5.03.1PRVm

McEnzie A, van Herk M, Meijnheer B -Radiother Oncol2002;62:299-307