La radioterapia guidata dalle bioimmagini di risonanza magnetica

La radioterapia guidata dalle immagini è una terapia medica che utilizza acquisizioni frequenti di immagini durante la radioterapia. Scopo di questo elaborato è di dimostrare come l'acquisizione di bioimmagini con risonanza magnetica durante l'erogazione del trattamento radioterapico possa portare a una notevole riduzione dei problemi a cui la radioterapia è legata: errori di posizionamento del paziente, localizzazione del volume bersaglio, movimento degli organi durante l'erogazione del trattamento. Partendo dai meccanismi biologici e fisici di iterazione tra le particelle del fascio di erogazione del trattamento e quelle tumorali costituenti il tessuto bersaglio, si è descritta la radioterapia guidata dalle immagini, accostandola alla risonanza magnetica nel trattamento di specifici tumori situati nei polmoni, nella zona del collo e della testa, e nella prostata. Infine si sono descritti gli impianti di ultima generazione che integrano il sistema per l'erogazione del trattamento radioterapico con quello di acquisizione di immagini con risonanza magnetica.

Sviluppo di un metodo di radioterapia adattativa tramite immagini portali e Cone-Beam CT

Il presente lavoro, svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda Ospedaliera Universitaria di Parma, consiste nello sviluppo di un metodo innovativo di radioterapia adattativa. Il metodo è stato applicato a pazienti affetti da varie patologie, trattati con tecnica VMAT, (Volumetric Modulated Arc Therapy), altamente conformata al target. Il metodo sviluppato si compone di due fasi: nella prima fase vengono effettuate due analisi su immagini portali, di ricostruzione della dose all'isocentro e l'analisi gamma 2D. Se almeno una di queste fallisce, si interviene con la seconda fase, che vede l'acquisizione della CBCT del paziente e la taratura in densità elettronica della stessa. Si calcola dunque il piano su CBCT, previa operazione di contouring da parte del medico e, infine, si esegue l'analisi gamma 3D sulle matrici di dose calcolate sulla CT e sulla CBCT del paziente, quantificando gli indici gamma sulle strutture PTV, CTV e OAR di interesse clinico. In base ai risultati, se necessario, si può intervenire sul piano di trattamento. Le analisi gamma 2D e 3D sono state svolte avvalendosi di un software toolkit chiamato GADD-23 (Gamma Analysis on 2D and 3D Dose Distributions) implementato e sviluppato appositamente in ambiente Matlab per questo lavoro di tesi; in particolare, la realizzazione di GADD-23 è stata resa possibile grazie all'interazione con due software di tipo open-source, Elastix e CERR, specifici per l’elaborazione e la registrazione di immagini mediche. I risultati ottenuti mostrano come il metodo sviluppato sia in grado di mettere in luce cambiamenti anatomici che alcuni pazienti hanno subìto, di tipo sistematico, in cui è possibile prendere in considerazione una ripianificazione del trattamento per correggerli, o di tipo casuale, sui quali può essere utile condurre l'attenzione del medico radioterapista, sebbene non sia necessario un replanning.

Controlli di qualita in radioterapia a fasci esterni con pellicole Gafchromic EBT3

Il lavoro svolto per questa tesi è stato effettuato presso il reparto di Fisica Medica dell’Ospedale Bellaria di Bologna, e ha lo scopo di mettere in evidenza l’efficacia dell’utilizzo di pellicole Gafchromic EBT3 nei controlli di qualità effettuati sull’acceleratore lineare LINAC SynergyS per radioterapia a fasci esterni. L’utilizzo continuo e prolungato dell’acceleratore durante i trattamenti radianti può causare nel tempo una perdita della calibrazione iniziale dei suoi componenti meccanici e dosimetrici: per questo è necessario controllarne periodicamente lo stato di funzionamento. Lo scopo dei controlli di qualità è quindi quello di verificare che tale fenomeno non sia avvenuto, per garantire precisione e sicurezza durante l’irradiazione del paziente (essenziale per i trattamenti ad alta precisione come l’IMRT e il VMAT), richiedendo che il fascio erogato colpisca il tessuto malato e riducendo al minimo l’errore per evitare il danneggiamento dei tessuti sani circostanti. I test effettuati sull’acceleratore lineare rientrano nel programma di assicurazione di qualità elaborato ed implementato a cura dei reparti di Fisica Medica e Radioterapia dell' Ospedale Bellaria di Bologna. Tale programma di assicurazione di qualità, è attuato per garantire che i risultati dei test rientrino nelle tolleranze meccaniche e dosimetriche previste dal protocollo dei controlli di qualità per le prove di stato e periodiche sull’acceleratore lineare in vigore all' AUSL di Bologna. In particolare in questo lavoro di tesi sono state effettuate prove dosimetriche, quali la verifica dell’omogeneità e della simmetria del fascio radiante, e prove meccaniche quali la verifica della corrispondenza tra isocentro meccanico ed isocentro radiante. Per queste verifiche sperimentali sono state utilizzate le pellicole radiocromiche Gafchromic EBT3; si tratta di dosimetri bidimensionali particolarmente adatti alla verifica dei trattamenti ad intensità modulata (IMRT, VMAT) che consentono un’accurata stima della distribuzione e dei gradienti di dose assorbita. L'utilizzo delle pellicole Gafchromic EBT3 insieme al software FilmQA Pro si è rivelato uno strumento dosimetrico preciso, accurato e pratico per effettuare i controlli di qualità di base su un acceleratore lineare per radioterapia.

La radioterapia e le tecniche I.G.R.T. applicate

L'elaborato espone l'iter di un paziente nel reparto di radioterapia e descrive l'evoluzione delle immagini radioterapiche dai portal film alle Cone Beam Computer Tomography. Inoltre espone i vari standard e protocolli usati per archiviare e trasmettere le immagini digitali precedentemente descritte.

Tecnologie innovative di Radioterapia Stereotassica

Dopo un'iniziale descrizione dei concetti fondamentali di dosimetria e degli effetti biologici delle radiazioni sul DNA, ho fatto una descrizione approfondita sulle diverse metodiche radioterapiche. Ho poi concentrato l'elaborato sull'approfondimento storico, tecnico-funzionale e degli aspetti positivi/negativi di due delle tecnologie di irradiazione mirata in ambito clinico più all'avanguardia e utilizzate nel loro ambito specifico: Gamma Knife modello PERFEXION e Cyberknife modello M6. Infine ho esposto gli aspetti principali dell'ultimo medello di Gamma Knife (ICON) presentato per la prima ad aprile 2015 e ad oggi presente solo in due strutture in Europa e cinque negli Stati Uniti.

Efectos de vecindad de la radiación ionizante y sus implicaciones en radioterapia y radioprotección

En el paradigma clásico, los efectos biológicos de la radiación ionizante se atribuyen al daño en el ADN inducido en cada célula irradiada. La demostración de efectos de vecindad causados por radiación ionizante (EVIR) ha generado un cambio profundo en la concepción actual de la radiobiología. Los EVIR son aquellos efectos causados por la radiación que se producen en células que no han sido irradiadas. Diversos avances técnicos, en particular el empleo de microhaces, han permitido estudiar los EVIR in vitro. Se conocen dos vías por las cuales las células irradiadas pueden comunicarse con las no irradiadas, a saber: mediante uniones especializadas (nexos) que comunican los citoplasmas de células adyacentes, y mediante la secreción de factores solubles al medio extracelular. Estos factores incluyen varias citokinas y especies reactivas del oxígeno y nitrógeno. Las vías de señalización en las células afectadas involucran en particular la activación de proteína kinasas activadas por mitógenos (MAPK) y del factor de transcripción NFciclooxigenasa 2, sintasa de óxido nítrico 2 y NAD(P)H oxidasa. Los EVIR pueden causar mutaciones puntuales y cambios epigenéticos. Los efectos sobre las vías de señalización pueden persistir indefinidamente e incluso transmitirse a la descendencia. Paradójicamente, en ciertas condiciones los EVIR pueden ser adaptativos, es decir que tornan a las células afectadas más resistentes a la radiación. La adaptación exige síntesis de proteínas y mejora la capacidad celular de reparar el ADN y resistir el estrés oxidativo. Los EVIR también se han demostrado in vivo. Por tanto, pueden tener implicaciones importantes en radioterapia, tanto para mejorar la eficacia terapéutica como para reducir la incidencia de efectos adversos. Asimismo, su mejor conocimiento puede influenciar las normas internacionales de radioprotección.

Mejoras en el procesamiento de imágenes de TC para el tratamiento con radioterapia adaptativa del cáncer de próstata

El cáncer de próstata es el tipo de cáncer con mayor prevalencia entre los hombres del mundo occidental y, pese a tener una alta tasa de supervivencia relativa, es la segunda mayor causa de muerte por cáncer en este sector de la población. El tratamiento de elección frente al cáncer de próstata es, en la mayoría de los casos, la radioterapia externa. Las técnicas más modernas de radioterapia externa, como la radioterapia modulada en intensidad, permiten incrementar la dosis en el tumor mientras se reduce la dosis en el tejido sano. Sin embargo, la localización del volumen objetivo varía con el día de tratamiento, y se requieren movimientos muy pequeños de los órganos para sacar partes del volumen objetivo fuera de la región terapéutica, o para introducir tejidos sanos críticos dentro. Para evitar esto se han desarrollado técnicas más avanzadas, como la radioterapia guiada por imagen, que se define por un manejo más preciso de los movimientos internos mediante una adaptación de la planificación del tratamiento basada en la información anatómica obtenida de imágenes de tomografía computarizada (TC) previas a la sesión terapéutica. Además, la radioterapia adaptativa añade la información dosimétrica de las fracciones previas a la información anatómica. Uno de los fundamentos de la radioterapia adaptativa es el registro deformable de imágenes, de gran utilidad a la hora de modelar los desplazamientos y deformaciones de los órganos internos. Sin embargo, su utilización conlleva nuevos retos científico-tecnológicos en el procesamiento de imágenes, principalmente asociados a la variabilidad de los órganos, tanto en localización como en apariencia. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar los procesos clínicos de delineación automática de contornos y de cálculo de dosis acumulada para la planificación y monitorización de tratamientos con radioterapia adaptativa, a partir de nuevos métodos de procesamiento de imágenes de TC (1) en presencia de contrastes variables, y (2) cambios de apariencia del recto. Además, se pretende (3) proveer de herramientas para la evaluación de la calidad de los contornos obtenidos en el caso del gross tumor volumen (GTV). Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son las siguientes: _ 1. La adaptación, implementación y evaluación de un algoritmo de registro basado en el flujo óptico de la fase de la imagen como herramienta para el cálculo de transformaciones no-rígidas en presencia de cambios de intensidad, y su aplicabilidad a tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata con uso de agentes de contraste radiológico. Los resultados demuestran que el algoritmo seleccionado presenta mejores resultados cualitativos en presencia de contraste radiológico en la vejiga, y no distorsiona la imagen forzando deformaciones poco realistas. 2. La definición, desarrollo y validación de un nuevo método de enmascaramiento de los contenidos del recto (MER), y la evaluación de su influencia en el procedimiento de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Las segmentaciones obtenidas mediante el MER para la creación de máscaras homogéneas en las imágenes de sesión permiten mejorar sensiblemente los resultados de los algoritmos de registro en la región rectal. Así, el uso de la metodología propuesta incrementa el índice de volumen solapado entre los contornos manuales y automáticos del recto hasta un valor del 89%, cercano a los resultados obtenidos usando máscaras manuales para el registro de las dos imágenes. De esta manera se pueden corregir tanto el cálculo de los nuevos contornos como el cálculo de la dosis acumulada. 3. La definición de una metodología de evaluación de la calidad de los contornos del GTV, que permite la representación de la distribución espacial del error, adaptándola a volúmenes no-convexos como el formado por la próstata y las vesículas seminales. Dicha metodología de evaluación, basada en un nuevo algoritmo de reconstrucción tridimensional y una nueva métrica de cuantificación, presenta resultados precisos con una gran resolución espacial en un tiempo despreciable frente al tiempo de registro. Esta nueva metodología puede ser una herramienta útil para la comparación de distintos algoritmos de registro deformable orientados a la radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como cimiento de futuros avances en el procesamiento de imagen médica en los tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Asimismo, se siguen abriendo nuevas líneas de aplicación futura de métodos de procesamiento de imágenes médicas con el fin de mejorar los procesos de radioterapia adaptativa en presencia de cambios de apariencia de los órganos, e incrementar la seguridad del paciente. I.2 Inglés Prostate cancer is the most prevalent cancer amongst men in the Western world and, despite having a relatively high survival rate, is the second leading cause of cancer death in this sector of the population. The treatment of choice against prostate cancer is, in most cases, external beam radiation therapy. The most modern techniques of external radiotherapy, as intensity modulated radiotherapy, allow increasing the dose to the tumor whilst reducing the dose to healthy tissue. However, the location of the target volume varies with the day of treatment, and very small movements of the organs are required to pull out parts of the target volume outside the therapeutic region, or to introduce critical healthy tissues inside. Advanced techniques, such as the image-guided radiotherapy (IGRT), have been developed to avoid this. IGRT is defined by more precise handling of internal movements by adapting treatment planning based on the anatomical information obtained from computed tomography (CT) images prior to the therapy session. Moreover, the adaptive radiotherapy adds dosimetric information of previous fractions to the anatomical information. One of the fundamentals of adaptive radiotherapy is deformable image registration, very useful when modeling the displacements and deformations of the internal organs. However, its use brings new scientific and technological challenges in image processing, mainly associated to the variability of the organs, both in location and appearance. The aim of this thesis is to improve clinical processes of automatic contour delineation and cumulative dose calculation for planning and monitoring of adaptive radiotherapy treatments, based on new methods of CT image processing (1) in the presence of varying contrasts, and (2) rectum appearance changes. It also aims (3) to provide tools for assessing the quality of contours obtained in the case of gross tumor volume (GTV). The main contributions of this PhD thesis are as follows: 1. The adaptation, implementation and evaluation of a registration algorithm based on the optical flow of the image phase as a tool for the calculation of non-rigid transformations in the presence of intensity changes, and its applicability to adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer with use of radiological contrast agents. The results demonstrate that the selected algorithm shows better qualitative results in the presence of radiological contrast agents in the urinary bladder, and does not distort the image forcing unrealistic deformations. 2. The definition, development and validation of a new method for masking the contents of the rectum (MER, Spanish acronym), and assessing their impact on the process of adaptive radiotherapy in prostate cancer. The segmentations obtained by the MER for the creation of homogenous masks in the session CT images can improve significantly the results of registration algorithms in the rectal region. Thus, the use of the proposed methodology increases the volume overlap index between manual and automatic contours of the rectum to a value of 89%, close to the results obtained using manual masks for both images. In this way, both the calculation of new contours and the calculation of the accumulated dose can be corrected. 3. The definition of a methodology for assessing the quality of the contours of the GTV, which allows the representation of the spatial distribution of the error, adapting it to non-convex volumes such as that formed by the prostate and seminal vesicles. Said evaluation methodology, based on a new three-dimensional reconstruction algorithm and a new quantification metric, presents accurate results with high spatial resolution in a time negligible compared to the registration time. This new approach may be a useful tool to compare different deformable registration algorithms oriented to adaptive radiotherapy in prostate cancer In conclusion, this PhD thesis corroborates the postulated research hypotheses, and is intended to serve as a foundation for future advances in medical image processing in adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer. In addition, it opens new future applications for medical image processing methods aimed at improving the adaptive radiotherapy processes in the presence of organ’s appearance changes, and increase the patient safety.