Analysis of cone-beam ct dose in image-guided radiation therapy for brain and prostate cancer patients via gpu-based Monte Carlo simulations

La radioterapia guidata da immagini (IGRT), grazie alle ripetute verifiche della posizione del paziente e della localizzazione del volume bersaglio, si è recentemente affermata come nuovo paradigma nella radioterapia, avendo migliorato radicalmente l’accuratezza nella somministrazione di dose a scopo terapeutico. Una promettente tecnica nel campo dell’IGRT è rappresentata dalla tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT). La CBCT a kilovoltaggio, consente di fornire un’accurata mappatura tridimensionale dell’anatomia del paziente, in fase di pianificazione del trattamento e a ogni frazione del medisimo. Tuttavia, la dose da imaging attribuibile alle ripetute scansioni è diventata, negli ultimi anni, oggetto di una crescente preoccupazione nel contesto clinico. Lo scopo di questo lavoro è di valutare quantitativamente la dose addizionale somministrata da CBCT a kilovoltaggio, con riferimento a tre tipici protocolli di scansione per Varian OnBoard Imaging Systems (OBI, Palo Alto, California). A questo scopo sono state condotte simulazioni con codici Monte Carlo per il calcolo della dose, utilizzando il pacchetto gCTD, sviluppato sull’architettura della scheda grafica. L’utilizzo della GPU per sistemi server di calcolo ha permesso di raggiungere alte efficienze computazionali, accelerando le simulazioni Monte Carlo fino a raggiungere tempi di calcolo di ~1 min per un caso tipico. Inizialmente sono state condotte misure sperimentali di dose su un fantoccio d’acqua. I parametri necessari per la modellazione della sorgente di raggi X nel codice gCTD sono stati ottenuti attraverso un processo di validazione del codice al fine di accordare i valori di dose simulati in acqua con le misure nel fantoccio. Lo studio si concentra su cinquanta pazienti sottoposti a cicli di radioterapia a intensità modulata (IMRT). Venticinque pazienti con tumore al cervello sono utilizzati per studiare la dose nel protocollo standard-dose head e venticinque pazienti con tumore alla prostata sono selezionati per studiare la dose nei protocolli pelvis e pelvis spotlight. La dose media a ogni organo è calcolata. La dose media al 2% dei voxels con i valori più alti di dose è inoltre computata per ogni organo, al fine di caratterizzare l’omogeneità spaziale della distribuzione.

Scripting automation e modelli bayesiani: Applicazioni cliniche in radioterapia e sviluppo di tecniche innovative per adaptive radiation therapy

La presente ricerca consiste nel validare ed automatizzare metodiche di Adaptive Radiation Therapy (ART), che hanno come obiettivo la personalizzazione continua del piano di trattamento radioterapico in base alle variazioni anatomiche e dosimetriche del paziente. Tali variazioni (casuali e/o sistematiche) sono identificabili mediante l’utilizzo dell’imaging diagnostico. Il lavoro svolto presso la struttura di Fisica Medica dell’Azienda Ospedaliera Universitaria del Policlinico di Modena, si inserisce in un progetto del Ministero della Salute del bando Giovani Ricercatori dal titolo: “Dose warping methods for IGRT and ADAPTIVERT: dose accumulation based on organ motion and anatomical variations of the patients during radiation therapy treatments”. Questa metodica si sta affermando sempre più come nuova opportunità di trattamento e, per tale motivo, nasce l’esigenza di studiare e automatizzare processi realizzabili nella pratica clinica, con un utilizzo limitato di risorse. Si sono sviluppati script che hanno permesso l’automazione delle operazioni di Adaptive e deformazioni, raccogliendo i dati di 51 pazienti sottoposti a terapia mediante Tomotherapy. L’analisi delle co-registrazioni deformabili delle strutture e delle dosi distribuite, ha evidenziato criticità del software che hanno reso necessario lo sviluppo di sistemi di controllo dei risultati, per facilitare l’utente nella revisione quotidiana dei casi clinici. La letteratura riporta un numero piuttosto limitato di esperienze sulla validazione e utilizzo su larga scala di questi tools, per tale motivo, si è condotto un esame approfondito della qualità degli algoritmi elastici e la valutazione clinica in collaborazione di fisici medici e medici radioterapisti. Sono inoltre stati sviluppati principi di strutturazione di reti Bayesiane, che consentono di predirre la qualità delle deformazioni in diversi ambiti clinici (H&N, Prostata, Polmoni) e coordinare il lavoro quotidiano dei professionisti, identificando i pazienti, per i quali sono apprezzabili variazioni morfo-dosimetriche significative. Da notare come tale attività venga sviluppata automaticamente durante le ore notturne, sfruttando l’automation come strumento avanzato e indipendente dall’operatore. Infine, il forte sviluppo, negli ultimi anni della biomeccanica applicata al movimento degli organi (dimostrato dalla numerosa letteratura al riguardo), ha avuto come effetto lo sviluppo, la valutazione e l’introduzione di algoritmi di deformazione efficaci. In questa direzione, nel presente lavoro, si sono analizzate quantitivamente le variazioni e gli spostamenti delle parotidi, rispetto all’inizio del trattamento, gettando le basi per una proficua linea di ricerca in ambito radioterapico.

Comparison of radiobiological effects induced by ultra-high and standard dose rate of x-rays on a radio-resistant cell line

Radiotherapy (RT) has recently evolved with the emergence of heavy ion radiations or new fractionation schemes of photon therapy, which modify the dose rate of treatment delivery. The aim of the present study was then to evaluate the in vitro influence of a ultra-high dose rate comparing them with standard dose rate. In this regard, a radioresistant SK-MEL-28 cell line were irradiated with x-ray in order to have a total dose of 2 and 4 Gy, at two different dose rate. The ultra-high dose rate is a specific property of the dense plasma focus (DPF) device, which has pulsed operation and thus gives short and highly energetic pulses of multiple types of rays and particles, in this case, we focused our study on the influence of X-rays. While a low dose rate is obtained with conventional X-ray tube. In this study it results that a ultra-high dose rate enhances radiosensitivity of melanoma cells while reducing the adhesion, proliferation and migration ability of cells.

Valutazione dosimetrica e aspetti tecnici di trattamenti VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) in radioterapia oncologica

La VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) è una delle più recenti tecniche radioterapiche, in cui, oltre alla modulazione geometrica della fluenza del campo di radiazione come avviene nell’IMRT (Intensity Modulated Radiotherapy), sono variati durante il trattamento anche la velocità del gantry e il rateo di dose. La radiazione è erogata senza interruzioni lungo uno o più archi continui della testata dell’acceleratore, così da ridurre i tempi di trattamento in modo sostanziale rispetto all’IMRT. Nelle tecniche ad intensità modulata, ed in particolare nella VMAT, il lettino porta paziente modifica la distribuzione di dose durante gli irraggiamenti posteriori, riducendo quella al target e aumentando quella superficiale. Il presente lavoro di tesi, che ha proprio l’obiettivo di valutare questi aspetti dosimetrici in un’ottica pre-clinica, è stato svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico S.Orsola–Malpighi, Azienda Ospedaliero-Universitaria di Bologna. Le misure sono state effettuate presso le U.O. Radioterapia-Morganti e Radioterapia-Frezza f.f. della medesima Azienda Sanitaria, al fine di caratterizzare dal punto di vista dosimetrico il lettino di trattamento iBEAM evo dell’acceleratore lineare Synergy Elekta. L’attenuazione misurata in caso di incidenza perpendicolare del fascio sul lettino, in buon accordo con gli articoli di riferimento, è stata: (2.81±0.06)% per fotoni di energia di 6 MV, (1.81±0.10)% a 10 MV e (1.38±0.05)% a 15 MV. L’attenuazione massima misurata con fotoni di energia di 6 MV si è avvicinata al 4% negli irraggiamenti obliqui. Infine, è stato analizzato il confronto con statistica gamma fra distribuzione di dose pianificata e misurata prima e dopo aver modellizzato le caratteristiche del lettino nel software per l’elaborazione del piano di trattamento. Solo dopo tale operazione, i due casi VMAT analizzati (tumore dell’orofaringe e prostatico) superano i criteri più restrittivi e affidabili utilizzati nella pratica clinica.

Biomechanical modeling of parotid glands morphing in head & neck radiation therapy treatments

Durante i trattamenti radioterapici dei pazienti oncologici testa-collo, le ghiandole parotidee (PGs) possono essere indebitamente irradiate a seguito di modificazioni volumetriche-spaziali inter/intra-frazione causate da fattori quali il dimagrimento, l’esposizione a radiazioni ionizzanti ed il morphing anatomico degli organi coinvolti nelle aree d’irraggiamento. Il presente lavoro svolto presso la struttura di Fisica Medica e di Radioterapia Oncologica dell’A.O.U di Modena, quale parte del progetto di ricerca del Ministero della Salute (MoH2010, GR-2010-2318757) “ Dose warping methods for IGRT and Adaptive RT: dose accumulation based on organ motion and anatomical variations of the patients during radiation therapy treatments ”, sviluppa un modello biomeccanico in grado di rappresentare il processo di deformazione delle PGs, considerandone la geometria, le proprietà elastiche e l'evoluzione durante il ciclo terapeutico. Il modello di deformazione d’organo è stato realizzato attraverso l’utilizzo di un software agli elementi finiti (FEM). Molteplici superfici mesh, rappresentanti la geometria e l’evoluzione delle parotidi durante le sedute di trattamento, sono state create a partire dai contorni dell’organo definiti dal medico radioterapista sull’immagine tomografica di pianificazione e generati automaticamente sulle immagini di setup e re-positioning giornaliere mediante algoritmi di registrazione rigida/deformabile. I constraints anatomici e il campo di forze del modello sono stati definiti sulla base di ipotesi semplificative considerando l’alterazione strutturale (perdita di cellule acinari) e le barriere anatomiche dovute a strutture circostanti. L’analisi delle mesh ha consentito di studiare la dinamica della deformazione e di individuare le regioni maggiormente soggette a cambiamento. Le previsioni di morphing prodotte dal modello proposto potrebbero essere integrate in un treatment planning system per metodiche di Adaptive Radiation Therapy.

Applications of advanced and dual energy computed tomography in proton therapy

This thesis focuses on advanced reconstruction methods and Dual Energy (DE) Computed Tomography (CT) applications for proton therapy, aiming at improving patient positioning and investigating approaches to deal with metal artifacts. To tackle the first goal, an algorithm for post-processing input DE images has been developed. The outputs are tumor- and bone-canceled images, which help in recognising structures in patient body. We proved that positioning error is substantially reduced using contrast enhanced images, thus suggesting the potential of such application. If positioning plays a key role in the delivery, even more important is the quality of planning CT. For that, modern CT scanners offer possibility to tackle challenging cases, like treatment of tumors close to metal implants. Possible approaches for dealing with artifacts introduced by such rods have been investigated experimentally at Paul Scherrer Institut (Switzerland), simulating several treatment plans on an anthropomorphic phantom. In particular, we examined the cases in which none, manual or Iterative Metal Artifact Reduction (iMAR) algorithm were used to correct the artifacts, using both Filtered Back Projection and Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction as image reconstruction techniques. Moreover, direct stopping power calculation from DE images with iMAR has also been considered as alternative approach. Delivered dose measured with Gafchromic EBT3 films was compared with the one calculated in Treatment Planning System. Residual positioning errors, daily machine dependent uncertainties and film quenching have been taken into account in the analyses. Although plans with multiple fields seemed more robust than single field, results showed in general better agreement between prescribed and delivered dose when using iMAR, especially if combined with DE approach. Thus, we proved the potential of these advanced algorithms in improving dosimetry for plans in presence of metal implants.