intensity modulated radiation therapy: aspetti fisici · il problema inverso in radioterapia...
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IIntensity ntensity MModulated odulated RRadiation adiation TTherapyherapy: aspetti fisici: aspetti fisici
M. IoriM. Iori
Servizio di Fisica SanitariaServizio di Fisica SanitariaArcispedale S. Maria Nuova Arcispedale S. Maria Nuova -- Reggio EmiliaReggio Emilia
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LL’’evoluzione della Radioterapia: evoluzione della Radioterapia: dalla dalla RTRT alle alle IMRTIMRT
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3
The The EvolutionEvolution ofof RadiationRadiation TherapyTherapy
High resolutionIMRT
Multileaf Collimator Dynamic MLCand IMRT
19601960’’ss 19701970’’ss 19801980’’ss 19901990’’ss 20002000’’ss
Standard CollimatorVarianVarian delivereddelivered the first 360 the first 360 isocentricisocentric linearlinear acceleratoraccelerator forforcancercancer treatmentstreatments. The . The ClinacClinacacceleratoraccelerator offeredoffered reductionreduction in in complicationscomplications overover conventionalconventionalCoCo--60 60 treatmentstreatments..
Cerrobend BlockingElectron Blocking
VarianVarian providedprovided the first the first medicalmedicalacceleratoraccelerator in the USA in the USA forfortreatment and electron treatment and electron therapytherapy forforsuperficialsuperficial treatmentstreatments. . BlocksBlockswerewere usedused toto reduce the dose reduce the dose totonormalnormal tissuestissues
AdvancesAdvances in computer planning in computer planning and the and the introductionintroduction ofof the the computerizedcomputerized 2100C and MLC 2100C and MLC leadlead toto 3D 3D conformalconformal therapytherapywhichwhich allowedallowed the first dose the first dose escalation escalation trialstrials..
ComputerizedComputerized IMRT IMRT introducinedintroducined whichwhichprovedproved toto bebe the the mostmostefficientefficient and and effectiveeffectivemeansmeans toto escalateescalate dose dose and reduce and reduce compilationscompilations
SeeSee and and treattreat
FunctionalFunctional ImagingImaging
IMRT IMRT EvolutionEvolution evolvesevolvestoto smallersmaller and and smallersmallersubfieldssubfields and high and high resolutionresolution IMRT IMRT alongalongwithwith the the introductionintroduction ofofnewnew imagingimagingtechnologiestechnologies
The First Clinac Computerized 3D CT Treatment Planning
Preso dalle pagine Internet della ditta Varian
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RT & 3DRT & 3D--CRT technique for prostate tumourCRT technique for prostate tumour
RT techniqueRT technique
3D3D--CRT techniqueCRT technique
IMRT techniqueIMRT technique
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5
Dalla 3DDalla 3D--CRT CRT ⇒⇒ IMRTIMRT
Preso da un articolo di A. Brahme sulla IMRT
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6
3D3D--CRT vs. IMRT: a CRT vs. IMRT: a clinicalclinical casecase
Beam Profile # 1
BeamProfile # 2
BeamProfile # 3
Dose Intensity
PTV
RO
PTV
RO
33--field RTfield RT 33--field IMRTfield IMRT
Prescribed Dose (typical distribution)
Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab
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7
3D3D--CRT vs. IMRT: a CRT vs. IMRT: a clinicalclinical casecasePreso da un corso sulla IMRT del
MSKCC del 2003
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LL’’OOttimizzazione ed il ttimizzazione ed il PProblema roblema IInverso in Radioterapianverso in Radioterapia
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9
La La Pianificazione DirettaPianificazione Diretta in Radioterapiain Radioterapia
Procedura per l’ottimizzazione manuale (tray and error) di un piano di trattamento:
selezionare modalità ed energia delle radiazioni;
selezionare numero ed angolazione dei fasci radianti;
selezionare dimensioni e pesi relativi dei campi radianti;
introdurre dispositivi statici di modulazione del fascio;
calcolare la distribuzione di dose complessiva, analizzare la bontà del risultato ottenuto con i tools di valutazione;
rimodificare i parametri sopra indicati qualora il piano di trattamento calcolato non confermi il giudizio fisico e clinico di piano ottimale.
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Il Problema Inverso in RadioterapiaIl Problema Inverso in Radioterapia
L’ottimizzazione del piano di trattamento viene posto come Problema Inverso:
partendo da una distribuzione di dose considerata “ottimale” e clinicamente efficace, determinare i parametri di trattamento che forniscono tale distribuzione di dose nel paziente.
Una tale impostazione individua matematicamente un problema inverso:
la ricerca delle soluzioni richiede l’introduzione di tecniche matematiche di ottimizzazione che dovranno realizzare l’inversione di matrici in presenza di vincoli prefissati.
Per l’Intensità Modulata ciò equivale a trovare la migliore configurazione dei fasci ed il loro relativo profilo di intensità di fluenza.
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La soluzione richiede lLa soluzione richiede l’’inversione di matriceinversione di matriceSuddiviso il volume irradiato in voxel con dosi discrete di, scomposta
l’intensità planare (della fluenza di energia) del fascio radiante in singoli fascetti ciascuno dotato di propria intensità xj, chiamati ai,j i coefficienti di interazione della dose per unità di fluenza, il problema dell’ottimizzazione si può visualizzare come:
ISTOGRAMMA INTEGRALE
10 10 10 1010 10 20 20 158 8 5 15
10 10 8 15 13
11ISTOGRAMMA DIFFERENZIALE
987 765 543 321 1
Dosi 5 8 10 15 20 Dosi 5 8 10 15 20
Num
ero
o vo
lum
e
Num
ero
o vo
lum
e
jjii xad ⋅= ,
Patient body
Beam fluence
aij
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La strategia verso la Pianificazione InversaLa strategia verso la Pianificazione InversaSi risolve il problema attraverso un processo di ottimizzazione che minimizzi una funzione E della deviazione di dose, dove dmed è la distribuzione di dose ideale richiesta dal medico, dcal = A • x è la distribuzione di dose da calcolare e minimizzare variando il parametro della fluenza x :
Sono stati imposti sul funzionale E(x) dei vincoli aggiuntivi E* per introdurre nel processo di ottimizzazione criteri di tipo fisico e clinico. Tale funzionale prende il nome di Funzione obbiettivo, Funzione di costo o punteggio.Si useranno tecniche di ottimizzazione iterative, limitando, durante il processo di ottimizzazione, lo spazio di ricerca delle soluzioni secondo quanto indicato nei vincoli (constraints) predefiniti.
( )[ ] ( )[ ]⎩⎨⎧
≥+⋅−=+−
0minmin **
i
medcalmed
xExAdEEddE
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Soft & Hard Soft & Hard constraintsconstraints
Soft: Dose maxper un OAR
Hard: Dose maxper un OAR
Soft: Dose max e min per il tumore Hard/Soft: Dose -Volume per CTV e/o OAR
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Un esempio di Un esempio di IInverse nverse PPlanning lanning per un trattamento per un trattamento IMRTIMRT
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The Inverse Planning The Inverse Planning ModuleModule # 1# 1
Volume Volume contouringcontouring &&fieldfield definitionsdefinitions
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The Inverse Planning The Inverse Planning ModuleModule # 2# 2
Real-Timeobjective function
Real-Time DVH
Real-Time DVH
Real-Time DVH
Real-Time Fluence Map
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PlanPlan optimizationoptimization
During optimization, the radiationintensity of each beamlet is varied.
Beam’s eye view of the target
Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab
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FluenceFluence MapMap VerificationVerification
Beam’s eye view Map recorded on filmMap calculatedby computer
Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab
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Le modalitLe modalitàà di di DDelivery nella elivery nella IMRTIMRT
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Il Il MultiLeafMultiLeaf CollimatorCollimator (MLC) in dettaglio(MLC) in dettaglio
60mm tungsten60mm tungsten
Cross-section through a 1.7mm thin leaf (3.0 mm at isocenter)
“Tongue and Groove”Design for minimal leakageof <2% between the leaves
Preso dalle pagine Internet delle ditte GE e BrainLab
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SMLC SMLC -- IMRT delivery modality # 1IMRT delivery modality # 1
Leading leaf
Trailing leaf
Inte
nsità
(MU
)
Asse X del profilo (cm) Asse X del profilo (cm) Asse X del profilo (cm)
Inte
nsità
(MU
)
Inte
nsità
(MU
)
Xi Xi Xi
MUi
Leaf BLeaf A Leaf A Leaf B
(Fig. 4a) (Fig. 4b) (Fig. 4c)
Beam ON Beam ON
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22
SMLC SMLC -- IMRT delivery modality # 2IMRT delivery modality # 2
Asse X del profilo (cm) Asse X del profilo (cm)
Inte
nsità
(MU
)
Inte
nsità
(MU
)
Inte
nsità
(MU
)
Asse X del profilo (cm) XiXi Xi
MUAi
MUBi
Leaf A Leaf ALeaf A
Leaf B
Leaf BLeaf B
(Fig. 4d) (Fig. 4e) (Fig. 4f)
Beam ON Beam ON Trailing leaf Leading leaf
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23
3. MLC field Set-Up
2. MLC field Set-Up
1. MLC field Set-Up
StepStep & & ShootShoot IMRT (SMLC) # 3IMRT (SMLC) # 3
1/3
Dose
1/3
Dose
1/3
Dose
Total Resulting Dose
2/3 Dose
Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab
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24
DMLC DMLC -- IMRT delivery modalityIMRT delivery modality
Total intensity at P :
φp = ∫ I( xr(t)-p) I(p- xl(t)) dtt=0
T
directionof motion
Left-leaf Right-leaf
P
beam-ontime
A A simplifiedsimplified diagramdiagram
Leading leaf
Preso da una pubblicazione del 2002 su Le Scienze
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25
Inte
nsità
(MU
)
Inte
nsità
(MU
)
(F ig. 5a)
Asse X del profilo (cm)
Inte
nsità
(MU
)
Asse x del profilo (cm) Asse x del profilo (cm)
Area 1 Area 2 Area 3 Area 4
Area 1
x
MU(x)
Area 2
Area 3
Area 4
Area 1
Area 2 Area 3
Area 4
Inte
nsità
(MU
)
Asse x del profilo (cm)
(Fig. 5b)
(Fig. 5c) (Fig. 5d)
MU(x)
MU(x)
MU(x)
DMLC DMLC -- IMRT delivery modality # 1IMRT delivery modality # 1
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26
Leaf A Leaf B
Leaf A
Leaf A
Leaf B
Leaf B
Leaf BLeaf A
Inte
nsità
(MU
)
Inte
nsità
(MU
)
MUA(x)
MUB(x)
MU(x)
x
MU(x)
xAsse X del profilo (cm) Asse X del profilo (cm)(Fig. 5e) (Fig. 5f)
Beam ON
DMLC DMLC -- IMRT delivery modality # 2IMRT delivery modality # 2
Trailing leaf
Leading leaf
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27
La La tomoterapiatomoterapia seriale: il seriale: il MIMiCMIMiC
La modalità di esecuzione del trattamento
Soluzione 1 di n
Soluzione 2 di n
90°
45°
0°
315°
270°
225° 135°
180°
315°270° 0° 45° 90° 135°225°
315°270° 0° 45° 90° 135°225°
Livelli di Dose
Livelli di Dose
180°
180°
Arco di pendolazione
Arco di rotazione
Arco di rotazioni
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28
TomoterapiaTomoterapia elicoidale ed acceleratori elicoidale ed acceleratori robotizzatirobotizzati
LL’’MLC MLC delldell’’Hi.ArtHi.Art
The The HiHi••ARTART TomoTherapyTomoTherapy SystemSystem Il Il CiberCiber--KnifeKnife
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29
IMMAIMMA –– IIntensityntensity MModulatedodulated MMultiple ultiple AArcrc : a : a way way towardstowards IMATIMAT
PTVPTV PTV PTV 11 PTV PTV 22
PTV PTV 33 PTV PTV 44 ΣΣ PTV PTV nn
The The problemproblem :: howhow can can wewe approachapproach the IMAT the IMAT techniquetechnique toto treattreat complexcomplex target target volumesvolumes withoutwithout disposingdisposing ofof a a dedicateddedicated IP and IP and sequencersequencer ? ?
The idea :The idea : toto approachapproach the IMAT the IMAT techniquetechnique byby breakingbreaking up the up the tumortumor intointo appropriate appropriate subsub--volumesvolumes and, and, usingusing the CDthe CD--ARC ARC optionoption, , optimizeoptimize the the planplan in a in a forwardforward way, way, changingchangingmanuallymanually the the numbernumber and and rangerange ofof arcarc rotationsrotations, the , the fieldfield weightsweights and the and the shapeshape ofof eacheachDMLC DMLC arcarc segmentsegment..
PTVPTV
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30
IMMAIMMA: the : the manualmanual optimizationoptimization ofof the DMLCthe DMLCSEG 1SEG 1
SEG 2SEG 2
SEG 3SEG 3
SEG 4SEG 4
SEG 5SEG 5
SEG6SEG6
SEG 7SEG 7
SEG 10SEG 10
SEG 9SEG 9
SEG 8SEG 8
SEG 11SEG 11
SEG 12SEG 12
SEG 14SEG 14
SEG 13SEG 13
SEG 15SEG 15
CDCD--ARC field manually optimisedARC field manually optimised
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SSMLC MLC -- IMRT IMRT vs. vs. DDMLC MLC -- IMRTIMRT
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32
IMRT: DMLC vs. SMLC # 1IMRT: DMLC vs. SMLC # 1
TimeTime comparisoncomparison betweenbetweenDMLC & SMLC (10 DMLC & SMLC (10 levelslevels))
Prese da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
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33
Total Total wholewhole body dose body dose equivalentequivalentDose Dose equivalentequivalent ((mSvmSv) ) forfor deliveddelived dose dose ofof 70Gy at 70Gy at isocentreisocentre
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34
IMRT: DMLC vs. SMLC # 2IMRT: DMLC vs. SMLC # 2
Prese da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
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Aspetti fisici e dosimetriciAspetti fisici e dosimetricidella della IMRTIMRT
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36
Double and Single Focused MLCSecondary and Tertiary MLCLeaf width, number of leaves and maximum field sizeLeaf length and leaf over-travelLeaf trajectory and leaf speedTotal beam-on timeMinimum leaf gapTongue-and-groove effectLeaf gap widthLeaf gap offset
AlcuniAlcuni aspettiaspetti fisicifisici delladella IMRTIMRT
Inter-digitationsLeaf leakageEfficiency factorSmoothingSplitting large fieldsSkin flashHeterogeneity correctionsTotal whole body dose equivalentIntraIntra--fractionfraction breathingbreathingmotionmotion
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37
Effect of leaf steps on dose distributionis clinically relevant to protect CriticalOrgans and to treat the PTV Effective Penumbra
Effective Penumbrais increasing with leaf with
PTV
CriticalOrgan
LeafLeaf widthwidth & & numbernumber ofof leavesleavesLeaf Thickness of the m3 micro-MLC
3.0mm5.5mm 4.5mm
Preso da un CD della Brain-Lab sulla IMRT
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38
The The physicphysic ofof MLCMLC
RoundedRounded edgesedges: : leafleaf gap gap offset / offset / shiftshift equivalentequivalent / /
DLSDLS
TransmissionTransmission & & leakageleakage TongueTongue & & groovegroove
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39
The The physicphysic ofof MLCMLC
RoundedRounded edgesedges: : leafleaf gap gap offset / offset / shiftshift equivalentequivalent / DLS/ DLS TransmissionTransmission & & leakageleakage TongueTongue & & groovegroove
I(x)leaf end
x
leaftransmission.
leafpenumbra
ε
1directexposure
Preso da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
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40
(Fig. 6a)
Tem
po d
i bea
m O
N (M
U)
Punto che definisce l'inizio di un nuovo segmento e la fine del segmento precedente nella DMLC.Punti di controllo delle
posizioni delle lamelle ogni xx msec nella DMLC.
(Fig. 6b) Posizione lamelle lungo l'asse x del profilo (cm)
Punto di controllo delle posizioni delle lamelle ogni xx msec nella DMLC.
Position leaf tolerance
Position leaf tolerance
Traiettoria effettiva realizzata dalle lamelle
Punto che definisce l'inizio di un nuovo segmento e la fine del segmento precedente nella DMLC.
Interpolazione lineare della traiettoria fatta dal controller dell'MLC tra due segmenti contigui nella DMLC
Interpolazione lineare della traiettoria fatta dal controller dell'MLC tra due segmenti contigui nella DMLC
Posizione lamelle lungo l'asse x del profilo (cm)
Tem
po d
i bea
m O
N (M
U)
Leaf A Leaf B
t0
t2
t3
t4
t1
x0A,B
x1Ax1B
x4B
x3B
x2Bx2A
x3A
x4A
Beam ON
IMRT : MLC controlIMRT : MLC control
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41
(Fig. 7a)
Inte
nsità
(MU
)
Asse x del profilo (cm)
10
20
30
40
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(Fig. 7b)In
tens
ità (M
U)
Asse x del profilo (cm)
10
20
30
40
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Vcrt = 0.1cm/MU Vmax = 0.2cm/MU
Vcrt = 0.3cm/MU
Vmax = 1.2cm/MU
Vcrt = 2cm/MU
DMLC DMLC -- IMRT : leaf speed and MUtot valuesIMRT : leaf speed and MUtot values
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42
Leaf trajectory and leaf speed:la velocità delle lamelle di un MLC è importante sia per la SMLC che per la DMLC. Nella SMLC influisce sul tempo totale di trattamento. Nella DMLC la fluenza del campo radiante viene modulata modificando temporalmente la posizione spaziale delle lamelle (considerando costante il rep-rate). Le velocità che concorrono alla modulazione nella DMLC sono: la massima velocità meccanica VVmccmcc (cm/s) definita all’isocentro, tipicamente pari a 2 - 2.5cm/s, la velocità critica VVcrtcrt (cm/MU) correlata ad uno dei segmenti (step) del profilo d’intensità da realizzare, definita come l’inverso della pendenza del profilo stesso, la velocità massima ottenibile VVmaxmax (cm/MU), definita come il rapporto tra Vmcc ed il rep-rate Rf (MU/s) erogato dall’acceleratore, e la velocità di modulazione VVmodmod:
Aspetti fisici della IMRTAspetti fisici della IMRT
))(1()/(
max
maxmod
xxIV
VMUcmV
ΔΔ⋅±
=
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43
Splitting large IM fieldsSplitting large IM fieldsNasopharynx PA field – leaf pair 18
Prese da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
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44
IMRT: Skin flashIMRT: Skin flash
Prese da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
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45
IMRT: heterogeneity correctionIMRT: heterogeneity correction
4Field Head&Neck treatment with 6MV photons4Field Head&Neck treatment with 6MV photons
Small beams & IMRTSmall beams & IMRT
Prese da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
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ModalitModalitàà di verifica e QA per i di verifica e QA per i trattamenti trattamenti IMRT IMRT eded IMATIMAT
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47
PrePre--treatment dosimetry proceduretreatment dosimetry procedureR&VS
TPS
Relative dosimetry: ±3mm
Absolute dosimetry: ± 3%
LINAC
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48
QA tests for the DMLC system # 1QA tests for the DMLC system # 1Static Check: optical measure of
dosimetric leaves separationDynamic check: position accuracy
and round-ends leaves effect
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QA tests for DMLC system # 2QA tests for DMLC system # 2Stability of leaves speed
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Sistemi di immobilizzazione ed Sistemi di immobilizzazione ed utilizzo del utilizzo del PPortal ortal VVisionision
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51
First IMRT treatmentsFirst IMRT treatments
Actual IMRT treatmentsActual IMRT treatments
H&N immobilizationH&N immobilization
Future IMRT treatmentsFuture IMRT treatments
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52
H&N: the shoulder problem # 1H&N: the shoulder problem # 1
CT # 1CT # 1
CT # 2CT # 2
CT # 1CT # 1
CT # 2CT # 2
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53
H&N: the shoulder problem # 2H&N: the shoulder problem # 2
CT slices # 2CT slices # 2
CT slices # 1CT slices # 1
1
41 2
2
3
3 4
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54
Estimating setEstimating set--up error up error
Identification of bony landmarks on simul/therapy images
Matching of bony landmarks (manual methods; automatic methods)
Δ x
Δ y
Δθ
Δ x
Δ y ΔθBy Claudio Fiorino, ISE course 2003, Torino
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Reducing uncertainties: SetReducing uncertainties: Set--up correction up correction proceduresprocedures
On-line correction- each fraction (EPID) - computer-controlled couches
Off-line correction- estimation of systematic and
random errors from a small number of images
- definition of action levels (decision rules)
- correction of systematic error -4 -2 0 2 4
-4
-2
0
2
4
-4 -2 0 2 4
-4
-2
0
2
4
Systematic+randomRandom
systematic
random
systematic
random
systematic
random
systematic
random
By Claudio Fiorino, ISE course 2003, Torino
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56
Scatter plot of RE plan setScatter plot of RE plan set--up deviationup deviationProsta te se t-up da ta dispersion ( # 8 pa tients)
-1.00
-0.80
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
Latero - lateral direction (cm)
Cra
nio
- cau
dal d
irect
ions
(cm
)
Gantry 0°
Prosta te se t-up da ta dispersion ( # 8 pa tients)
-1.00
-0.80
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
A ntero - pos terior direc tion (cm)
Cra
nio
- cau
dal d
irect
ion
(cm
)
Gantry 270°
Head & neck se t-up da ta dispersion ( # 7 pa tients )
-1.00
-0.80
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
Latero - lateral direc tion (cm)
Cra
nio
- cau
dal d
irect
ion
(cm
)
Gantry 0°
Head & neck set-up da ta dispersion ( # 7 pa tients )
-1.00
-0.80
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
A ntero - posterior direc tion (cm)
Cra
nio
- cau
dal d
irect
ion
(cm
)
Gantry 270°
Prostate:Prostate:Σpro = 0.32 cm σpro = 0.30 cm
Head & Neck:Head & Neck:Σh&n = 0.31 cm σh&n = 0.25 cm
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57
LL’’utilizzo di marker interni per la verifica del utilizzo di marker interni per la verifica del posizionamentoposizionamento
Preso dal CD della MedTech
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58
Acceleratori & KV Cone Beam CTAcceleratori & KV Cone Beam CT
Preso dalle pagine Internet delle ditte Varian ed Elekta
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59
Acceleratori & KV Cone Beam CTAcceleratori & KV Cone Beam CT
Preso da una presentazione in rete sulle pagine Internet della ditta Varian
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60
4D Radiation Therapy Delivery4D Radiation Therapy DeliveryTracking “4-D” IMRT
Medical College of Virginia
Tracking IMRTConventional IMRT
“Dynamic targeting” or “Image-guided Motion Management
“Varian On-Board Imaging”