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