Techniki Napromieniania Tomasz Piotrowski Zakład Fizyki Medyc

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”….