IGRT com CBCT: o impacto na precisão em radioterapia

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde.

IGRT com uso de XVI: frequência da sua utilização em doentes com cancro da próstata e papel na diminuição das incertezas

Com o uso de técnicas mais recentes como a radioterapi conformacional 3D, a radioterapia com intensidade modulada e consequente redução das margens conferidas aos volumes alvo, é fundamental recorrer a métodos de verificação dos tratamentos de radioterapia, nomeadamente imagem guiada em radioterapia, utilizando uma imagem volumétrica de raios-X para garantir uma correcta administração da dose prescrita ao volume alvo, poupando os órgãos de risco. Com este estudo pretende-se determinar qual a frequência com que estas verificações devem ser realizadas de modo a minorar erros e incertezas de posicionamento e localização dos volumes alvo e de risco, nomeadamente o recto e a bexiga. Pretende-se também avaliar o volume e posição dos órgãos de risco.

Trattamento radioterapico ipofrazionato ad alte dosi del carcinoma prostatico con tecnica ad intensità modulata (IMRT) guidata dalle immagini (IGRT)

Obiettivo: valutare la tossicità ed il controllo di malattia di un trattamento radioterapico ipofrazionato ad alte dosi con tecnica ad intensità modulata (IMRT) guidata dalle immagini (IGRT) in pazienti affetti da carcinoma prostatico a rischio intermedio, alto ed altissimo di recidiva. Materiali e metodi: tutti i pazienti candidati al trattamento sono stati stadiati e sottoposti al posizionamento di tre “markers” fiduciali intraprostatici necessari per l’IGRT. Mediante tecnica SIB – IMRT sono stati erogati alla prostata 67,50 Gy in 25 frazioni (EQD2 = 81 Gy), alle vescichette 56,25 Gy in 25 frazioni (EQD2 = 60,35 Gy) e ai linfonodi pelvici, qualora irradiati, 50 Gy in 25 frazioni. La tossicità gastrointestinale (GI) e genitourinaria (GU) è stata valutata mediante i CTCAE v. 4.03. Per individuare una possibile correlazione tra i potenziali fattori di rischio e la tossicità registrata è stato utilizzato il test esatto di Fisher e la sopravvivenza libera da malattia è stata calcolata mediante il metodo di Kaplan-Meier. Risultati: sono stati arruolati 71 pazienti. Il follow up medio è di 19 mesi (3-35 mesi). Nessun paziente ha dovuto interrompere il trattamento per la tossicità acuta. Il 14% dei pazienti (10 casi) ha presentato una tossicità acuta GI G ≥ 2 e il 15% (11 pazienti) ha riportato una tossicità acuta GU G2. Per quanto riguarda la tossicità tardiva GI e GU G ≥ 2, essa è stata documentata, rispettivamente, nel 14% dei casi (9 pazienti) e nell’11% (7 pazienti). Non è stata riscontrata nessuna tossicità, acuta o cronica, G4. Nessun fattore di rischio correlava con la tossicità. La sopravvivenza libera da malattia a 2 anni è del 94%. Conclusioni: il trattamento radioterapico ipofrazionato ad alte dosi con IMRT-IGRT appare essere sicuro ed efficace. Sono comunque necessari ulteriori studi per confermare questi dati ed i presupposti radiobiologici dell’ipofrazionamento del carcinoma prostatico.

Assessment of patient setup errors in IGRT in combination with a six degrees of freedom couch

PURPOSE The range of patient setup errors in six dimensions detected in clinical routine for cranial as well as for extracranial treatments, were analyzed while performing linear accelerator based stereotactic treatments with frameless patient setup systems. Additionally, the need for re-verification of the patient setup for situations where couch rotations are involved was analyzed for patients treated in the cranial region. METHODS AND MATERIALS A total of 2185 initial (i.e. after pre-positioning the patient with the infrared system but before image guidance) patient setup errors (1705 in the cranial and 480 in the extracranial region) obtained by using ExacTrac (BrainLAB AG, Feldkirchen, Germany) were analyzed. Additionally, the patient setup errors as a function of the couch rotation angle were obtained by analyzing 242 setup errors in the cranial region. Before the couch was rotated, the patient setup error was corrected at couch rotation angle 0° with the aid of image guidance and the six degrees of freedom (6DoF) couch. For both situations attainment rates for two different tolerances (tolerance A: ± 0.5mm, ± 0.5°; tolerance B: ± 1.0 mm, ± 1.0°) were calculated. RESULTS The mean (± one standard deviation) initial patient setup errors for the cranial cases were -0.24 ± 1.21°, -0.23 ± 0.91° and -0.03 ± 1.07° for the pitch, roll and couch rotation axes and 0.10 ± 1.17 mm, 0.10 ± 1.62 mm and 0.11 ± 1.29 mm for the lateral, longitudinal and vertical axes, respectively. Attainment rate (all six axes simultaneously) for tolerance A was 0.6% and 13.1% for tolerance B, respectively. For the extracranial cases the corresponding values were -0.21 ± 0.95°, -0.05 ± 1.08° and -0.14 ± 1.02° for the pitch, roll and couch rotation axes and 0.15 ± 1.77 mm, 0.62 ± 1.94 mm and -0.40 ± 2.15 mm for the lateral, longitudinal and vertical axes. Attainment rate (all six axes simultaneously) for tolerance A was 0.0% and 3.1% for tolerance B, respectively. After initial setup correction and rotation of the couch to treatment position a re-correction has to be performed in 77.4% of all cases to fulfill tolerance A and in 15.6% of all cases to fulfill tolerance B. CONCLUSION The analysis of the data shows that all six axes of a 6DoF couch are used extensively for patient setup in clinical routine. In order to fulfill high patient setup accuracies (e.g. for stereotactic treatments), a 6DoF couch is recommended. Moreover, re-verification of the patient setup after rotating the couch is required in clinical routine.

Avaliação da distribuição de dose no CTV-PTV através de imagem guiada em doentes com carcinoma da próstata

Mestrado em Radioterapia.

Avaliação da margem do PTV em tumores ginecológicos com irradiação dos gânglios lomboaórticos, que realizaram IMRT

Mestrado em Radioterapia.

Radioterapia adaptativa: utilização do cone-beam computed tomography para o cálculo de dose em radioterapia

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde - Ramo de especialização: Terapia com Radiações

Planeamento dosimétrico de tumores de pulmão

Qual a técnica de irradiação a utilizar? RT convencional, 3DCRT, IMRT, SBRT. Esta selecção depende muito dos equipamentos disponíveis, mas idealmente deve ser sempre acompanhada de técnicas de IGRT.

Development of CBCT-based prostate setup correction strategies and impact of rectal distension.

BACKGROUND: Cone-beam computed tomography (CBCT) image-guided radiotherapy (IGRT) systems are widely used tools to verify and correct the target position before each fraction, allowing to maximize treatment accuracy and precision. In this study, we evaluate automatic three-dimensional intensity-based rigid registration (RR) methods for prostate setup correction using CBCT scans and study the impact of rectal distension on registration quality. METHODS: We retrospectively analyzed 115 CBCT scans of 10 prostate patients. CT-to-CBCT registration was performed using (a) global RR, (b) bony RR, or (c) bony RR refined by a local prostate RR using the CT clinical target volume (CTV) expanded with 1-to-20-mm varying margins. After propagation of the manual CT contours, automatic CBCT contours were generated. For evaluation, a radiation oncologist manually delineated the CTV on the CBCT scans. The propagated and manual CBCT contours were compared using the Dice similarity and a measure based on the bidirectional local distance (BLD). We also conducted a blind visual assessment of the quality of the propagated segmentations. Moreover, we automatically quantified rectal distension between the CT and CBCT scans without using the manual CBCT contours and we investigated its correlation with the registration failures. To improve the registration quality, the air in the rectum was replaced with soft tissue using a filter. The results with and without filtering were compared. RESULTS: The statistical analysis of the Dice coefficients and the BLD values resulted in highly significant differences (p<10(-6)) for the 5-mm and 8-mm local RRs vs the global, bony and 1-mm local RRs. The 8-mm local RR provided the best compromise between accuracy and robustness (Dice median of 0.814 and 97% of success with filtering the air in the rectum). We observed that all failures were due to high rectal distension. Moreover, the visual assessment confirmed the superiority of the 8-mm local RR over the bony RR. CONCLUSION: The most successful CT-to-CBCT RR method proved to be the 8-mm local RR. We have shown the correlation between its registration failures and rectal distension. Furthermore, we have provided a simple (easily applicable in routine) and automatic method to quantify rectal distension and to predict registration failure using only the manual CT contours.

Analysis of translational errors in frame-based and frameless cranial radiosurgery using an anthropomorphic phantom

Abstract Objective: To evaluate three-dimensional translational setup errors and residual errors in image-guided radiosurgery, comparing frameless and frame-based techniques, using an anthropomorphic phantom. Materials and Methods: We initially used specific phantoms for the calibration and quality control of the image-guided system. For the hidden target test, we used an Alderson Radiation Therapy (ART)-210 anthropomorphic head phantom, into which we inserted four 5mm metal balls to simulate target treatment volumes. Computed tomography images were the taken with the head phantom properly positioned for frameless and frame-based radiosurgery. Results: For the frameless technique, the mean error magnitude was 0.22 ± 0.04 mm for setup errors and 0.14 ± 0.02 mm for residual errors, the combined uncertainty being 0.28 mm and 0.16 mm, respectively. For the frame-based technique, the mean error magnitude was 0.73 ± 0.14 mm for setup errors and 0.31 ± 0.04 mm for residual errors, the combined uncertainty being 1.15 mm and 0.63 mm, respectively. Conclusion: The mean values, standard deviations, and combined uncertainties showed no evidence of a significant differences between the two techniques when the head phantom ART-210 was used.

ESTRO-HERO survey: Radiotherapy equipment and departments in the European countries: Final results from the ESTRO-HERO survey

Background: Documenting the distribution of radiotherapy departments and the availability of radiotherapy equipment in the European countries is an important part of HERO the ESTRO Health Economics in Radiation Oncology project. HERO has the overall aim to develop a knowledge base of the provision of radiotherapy in Europe and build a model for health economic evaluation of radiation treatments at the European level. The aim of the current report is to describe the distribution of radiotherapy equipment in European countries. Methods: An 84-item questionnaire was sent out to European countries, principally through their national societies. The current report includes a detailed analysis of radiotherapy departments and equipment (questionnaire items 2629), analyzed in relation to the annual number of treatment courses and the socio-economic status of the countries. The analysis is based on validated responses from 28 of the 40 European countries defined by the European Cancer Observatory (ECO). Results: A large variation between countries was found for most parameters studied. There were 2192 linear accelerators, 96 dedicated stereotactic machines, and 77 cobalt machines reported in the 27 countries where this information was available. A total of 12 countries had at least one cobalt machine in use. There was a median of 0.5 simulator per MV unit (range 0.31.5) and 1.4 (range 0.44.4) simulators per department. Of the 874 simulators, a total of 654 (75%) were capable of 3D imaging (CT-scanner or CBCToption). The number of MV machines (cobalt, linear accelerators, and dedicated stereotactic machines) per million inhabitants ranged from 1.4 to 9.5 (median 5.3) and the average number of MV machines per department from 0.9 to 8.2 (median 2.6). The average number of treatment courses per year per MV machine varied from 262 to 1061 (median 419). While 69% of MV units were capable of IMRT only 49% were equipped for image guidance (IGRT). There was a clear relation between socio-economic status, as measured by GNI per capita, and availability of radiotherapy equipment in the countries. In many low income countries in Southern and Central-Eastern Europe there was very limited access to radiotherapy and especially to equipment for IMRT or IGRT. Conclusions: The European average number of MV machines per million inhabitants and per department is now better in line with QUARTS recommendations from 2005, but the survey also showed a significant heterogeneity in the access to modern radiotherapy equipment in Europe. High income countries especially in Northern-Western Europe are well-served with radiotherapy resources, other countries are facing important shortages of both equipment in general and especially machines capable of delivering high precision conformal treatments (IMRT, IGRT)

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.

Feasibility of image-guided radiotherapy based on tomotherapy for the treatment of locally advanced anal carcinoma

The standard of care for locally advanced anal cancer has been concurrent chemoradiation. However, conventional treatment with 3-dimensional radiotherapy is associated with significant toxicity. The feasibility of new radiotherapy techniques such as image-guided radiotherapy (IGRT) in combination with chemotherapy for the treatment of this malignancy was assessed.

Stochastic rank correlation: a robust merit function for 2D/3D registration of image data obtained at different energies

In this article, the authors evaluate a merit function for 2D/3D registration called stochastic rank correlation (SRC). SRC is characterized by the fact that differences in image intensity do not influence the registration result; it therefore combines the numerical advantages of cross correlation (CC)-type merit functions with the flexibility of mutual-information-type merit functions. The basic idea is that registration is achieved on a random subset of the image, which allows for an efficient computation of Spearman's rank correlation coefficient. This measure is, by nature, invariant to monotonic intensity transforms in the images under comparison, which renders it an ideal solution for intramodal images acquired at different energy levels as encountered in intrafractional kV imaging in image-guided radiotherapy. Initial evaluation was undertaken using a 2D/3D registration reference image dataset of a cadaver spine. Even with no radiometric calibration, SRC shows a significant improvement in robustness and stability compared to CC. Pattern intensity, another merit function that was evaluated for comparison, gave rather poor results due to its limited convergence range. The time required for SRC with 5% image content compares well to the other merit functions; increasing the image content does not significantly influence the algorithm accuracy. The authors conclude that SRC is a promising measure for 2D/3D registration in IGRT and image-guided therapy in general.