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Problematiche dosimetriche nell’utilizzo delle nuove tecnologie in Radioterapia. Leopoldo Conte Facoltà di Medicina e Chirurgia - Università degli Studi dell’Insubria Unità operativa di Fisica Sanitaria Ospedale di Circolo di Varese. Radioterapia conformazionale. Obiettivi. - PowerPoint PPT Presentation
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Problematiche dosimetriche nell’utilizzo delle nuove tecnologie
in Radioterapia
Leopoldo Conte
Facoltà di Medicina e Chirurgia - Università degli Studi dell’Insubria
Unità operativa di Fisica Sanitaria
Ospedale di Circolo di Varese
Radioterapia conformazionale. Obiettivi
• il volume con alte dosi deve conformarsi al volume dei tessuti in cui è presente la malattia
• la distribuzione della dose deve inoltre essere tale da massimizzare la probabilità di evitare dosi elevate al tessuto normale
• La varietà e l’arbitrarietà della forma dei tumori richiede una radioterapia conformazionale tridimensionale
Radioterapia esterna. Sviluppo tecnologico
• Unità di radioterapia esterna
• Apparecchiature per acquisizione di immagini
• Sistemi di calcolo dei piani di trattamento
Unità di radioterapia esterna
• Caratteristiche dei fasci di fotoni ( energia, intensità di flusso)
• Geometrie, caratteristiche meccaniche (linac , tomoterapia, gamma knife, cyberknife)
• Sistemi di collimazione statici e dinamici
• Sistemi di controllo automatico
• Accessori vari (imaging, portal imaging)
Imaging in radioterapia
• Impiego della TC-simulazione virtuale
• Integrazione di immagini multimodali
• Applicazioni della IGRT
• Acquisizione di immagini portali
Sistemi di calcolo dosimetrico
• Modellizzazione delle nuove tecnologie
• Nuovi algoritmi di calcolo
• Inverse planning
Tecniche IMRT
• Gantry fisso (step and shoot, sliding window)
• Gantry rotante (tomoterapia, archi modulati)
• Pencil beam (cyberknife, scanning beam)
Innovazioni tecnologiche e dosimetria
• I progressi nel campo della radioterapia esterna richiedono una maggior accuratezza dosimetrica, specie se vengono prescritte dosi più elevate
Problemi
• In passato maggior facilità di verifica della corretta esecuzione dei trattamenti
• Con le tecniche più avanzate gli errori e le deviazioni dalle dosi pianificate sono meno evidenti e più difficili da scoprire
• Sono necessarie misure dosimetriche prima e durante il trattamento con impiego di dosimetri e fantocci adatti allo scopo
Problemi dosimetrici
• Misure di dose in mancanza di equilibrio elettronico
• Calibrazione in dose di dispositivi non dosimetrici
Equilibrio elettronico
Si ha equilibrio elettronico nel volume V quando l’energia dissipata al di fuori di V da parte degli elettroni secondari generati al suo interno è compensata dall’energia dissipata in V da elettroni prodotti al di fuori dello stesso.
Condizioni di equilibrio elettronico
• L’elemento di volume si trovi immerso in una porzione di materiale di dimensioni non inferiori al percorso massimo degli elettroni messi in moto dai fotoni primari
• La fluenza di energia della radiazione primaria non vari apprezzabilmente su distanze dell’ordine del percorso degli elettroni
Mancanza di equilibrio elettronico
• Le condizioni di equilibrio elettronico non sono rispettate in presenza di campi di piccole dimensioni (inferiori a 3x3 cm ) e di alti gradienti della fluenza di energia
• In pratica nelle tecniche IMRT (SRS, Cyberknife, Gammaknife, Tomoterapia, MLC- IMRT )
Parametri critici
• Percorso laterale degli elettroni nel mezzo irradiato
• Dimensioni della sorgente rispetto alle dimensioni del campo
• Dimensioni del rivelatore impiegato nelle misure dosimetriche
Percorso laterale degli elettroni
• Il parametro critico è il percorso laterale degli elettroni che dipende dall’energia e dalla densità del mezzo (a 6 MV, in acqua, dell’ordine dei cm)
• La penombra è influenzata dal trasporto degli elettroni
Dimensioni della sorgente
• Se dal centro del campo non si “vede” l’intera sorgente si sovrappongono le zone di penombra; la dimensione del campo non è più data dalla FWHM ma risulta sovrastimata.
• Nell’impiego del mMLC il profilo del campo può essere notevolmente influenzato dalla posizione del collimatore principale (jaw) a causa della radiazione trasmessa attraverso le lamelle
Dosimetri
• Camere a ionizzazione
• Diodi a semiconduttore
• Rivelatori a diamante
• Dosimetri a termoluminescenza
• MOSFET
• Altri
• Dimensioni: standard, mini, micro ( 10-1, 10-2, 10-3 cm3)
Misure in condizioni di equilibrio elettronico
• Per cavità di piccole dimensioni rispetto al range degli elettroni non si ha perturbazione
• Nel caso di una camera a ionizzazione, in condizioni di equilibrio elettronico, si ha:
• Dt = ( Q / m) . (w / e ) ( S / )ta (1)
• Confronto tra dose per campo di dimensione r e campo di riferimento ( 10x10 cm2)
Misure
• Quando non c’è equilibrio elettronico la presenza di un rivelatore può modificare il livello locale delle condizioni di non equilibrio introducendo una perturbazione
Fattore di scattering
• Il fattore di scattering è il rapporto tra la dose misurata sull’asse alla profondità di riferimento per un campo di dimensioni r e la dose misurata alla stessa profondità per un campo di riferimento (10x10 cm2 )
• Esso dipende dallo spettro energetico degli elettroni
• L’introduzione di un dosimetro in assenza di equilibrio elettronico modifica lo spettro
Misure
• Dosimetri diversi creano perturbazioni diverse in assenza di equilibrio elettronico
• La dose , misurata con rivelatori diversi a 6 e 15 MV sull’asse, in funzione del campo, mostra valori diversi del fattore di scattering Scp per campi inferiori a 3 cm, per camere di varie dimensioni e altri rivelatori se non si tiene conto di fattori di perturbazione e correzioni della risposta.
Dosimetria portale con EPID
• Soltanto la ricostruzione 3D della dose somministrata al paziente durante il trattamento consente di evidenziare qualunque tipo di errore e perciò questo obiettivo sembra essere prioritario anche se comporta le maggiori difficoltà rispetto a verifiche dosimetriche in fantoccio
Dosimetria portale con EPID
• La dosimetria con EPID consente di rivelare i possibili errori nel corso delle attività cliniche. Tali errori riguardano:
• difetti riguardanti l’ unità di trattamento e i suoi accessori prima e durante il trattamento
• errori che riguardano il calcolo delle dosi nel piano di trattamento
• errori durante il trattamento che riguardano variazioni anatomiche del paziente, scambio di pazienti, movimenti del paziente, oggetti interposti tra fascio radiante e paziente.
Retroproiezione
• In questo caso la distribuzione 3D della dose al paziente viene ottenuta mediante procedimento di retroproiezione a partire dall’immagine portale
• Ciò richiede la separazione della componente primaria della fluenza a livello dell’EPID dalla componente diffusa,
Convoluzione
• La retroproiezione della componente primaria e la successiva convoluzione di quest’ultima con il kernel che rappresenta la radiazione diffusa all’interno del volume trattato
• Le difficoltà di tale procedura sono note e tuttavia sono descritti in letteratura metodi che hanno consentito di ottenere primi risultati incoraggianti
• Non risultano presenti attualmente in commercio prodotti soddisfacenti da questo punto di vista.
Calibrazione di sistemi per immagini portali
• l’EPID non è di per sé un dosimetro ma un recettore di immagini
• Il suo impiego dosimetrico comporta problemi, riguardanti la funzione dose-risposta, che dipendono dal tipo di rivelatore e dalle caratteristiche costruttive del dispositivo
Dosimetria con sistemi per immagini portali
• In particolare si evidenzia una dipendenza della sensibilità dei sistemi commerciali a-Si dall’energia e quindi dalla componente di scattering presente a livello dell’EPID e una dipendenza dall’area irraggiata a causa di fenomeni di scattering all’interno del dispositivo stesso.
Conclusioni
• L’introduzione di nuove tecnologie ha prodotto significativi cambiamenti nel campo della dosimetria
• La misura e il calcolo della dose richiedono un maggiore impegno in termini di aggiornamento e di tempo dedicato alle problematiche dosimetriche da parte dei fisici
• Non sembrano esistere soluzioni preconfezionate di tipo commerciale anche a causa della rapida evoluzione in campo tecnologico
Algoritmi di calcolo
• Si possono suddividere in due categorie:
1) algoritmi che non modificano al penombra al variare della densità
2) algoritmi che modificano la penombra la variare della densità
Algoritmi di calcolo
Appartengono al primo gruppo i seguenti:
• Modelli basati su misure nel fasci
• FFT convolution (point kernel)
• Pencil beam
Algoritmi di calcolo
Appartengono al secondo gruppo:
• Monte Carlo
• Collapsed cone superposition ( point kernel)
• AAA
Innovazioni tecnologiche. Vantaggi• immagini anatomiche e funzionali in 3D• l’applicazione della integrazione di immagini
multimodali • sagomare i fasci in modo da adattarsi alla
proiezione geometrica del target• i campi possono essere creati automaticamente e
rapidamente mediante collimatori multilamellari• distribuzioni 3D “esotiche” e conformate possono
essere ottenute mediante fasci a intensità modulata• inverse planning con cui i fasci sono modellati
sulla base della distribuzione di dose richiesta
Condizioni di non equilibrio elettronico
• Si hanno variazioni dello spettro energetico in mancanza di equilibrio elettronico
• Dt (r) / Dt (10) = (Dt ( E, r) / Dt (10) ) . (W/e)10r .
( ( S / r )at )10
r (2)
• Q (E,r) = Qm . Pion. Prepl. Pwall. Pcec. Ppcf (3)
Condizioni di non equilibrio elettronico
• Si hanno variazioni dello spettro energetico in mancanza di equilibrio elettronico
• Tutti i parametri che entrano nel calcolo del fattore di scattering sono dipendenti dall’energia
• Per una mini camera (Exradin A14P) il fattore di perturbazione supera il 36%, 30% e 18% per campi circolari con diametro 1,5, 3 e 5 mm a causa delle condizioni di non equilibrio; peggio nei materiali a bassa densità
Condizioni di non equilibrio elettronico
• Per dosimetria assoluta si impiega campo 10x10 cm2, ciò non è possibile in SRS, Gamma Knife, Tomotherapy, Ciber Knife
• Ciò richiede complesse procedure di confronto, estrapolazione con vari detettori ed è individuale
• The Radiological Physics Center (RPC) ha riscontrato significative differenze tra i vari centri
Dosimetri 3D e 2D
• Gel (3D)
• Film radiografici (2D)
• Rivelatori radiocromici (2D)
• EPID ( 2D)