The effect of organ motion of radiotherapy plans

Organ motion as a result of respiration is an important field of research for medical physics. Knowledge of magnitude and direction of this motion is necessary to allow for more accurate radiotherapy treatment planning. This will result in higher doses to the tumour whilst sparing healthy tissue. This project involved human trials, where the radiation therapy patient's kidneys were CT scanned under three different conditions; whilst free breathing (FB), breath-hold at normal tidal inspiration (BHIN), and breath-hold at normal tidal expiration (BHEX). The magnitude of motion was measured by recording the outline of the kidney from a Beam's Eye View (BEV). The centre of mass of this 2D shape was calculated for each set using "ImageJ" software and the magnitude of movement determined from the change in the centroid's coordinates between the BHIN and BHEX scans. The movement ranged from, for the left and right kidneys, 4-46mm and 2-44mm in the superior/inferior (axial) plane, 1-21mm and 2- 16mm in the anterior/posterior (coronal) plane, and 0-6mm and 0-8mm in the lateral/medial (sagittal) plane. From exhale to inhale, the kidneys tended to move inferiorly, anteriorly and laterally. A standard radiotherapy plan, designed to treat the para-aortics with opposed lateral fields was performed on the free breathing (planning) CT set. The field size and arrangement was set up using the same parameters for each subject. The prescription was to deliver 45 Gray in 25 fractions. This field arrangement and prescription was then copied over to the breath hold CT sets, and the dosimetric differences were compared using Dose Volume Histograms (DVH). The point of comparison for the three sets was recorded as the percentage volume of kidney receiving less than or equal to 10 Gray. The QUASAR respiratory motion phantom was used with the range of motion determined from the human study. The phantom was imaged, planned and treated with a linear accelerator with dose determined by film. The effect of the motion was measured by the change in the penumbra of the film and compared to the penumbra from the treatment planning system.

Development of a novel experimental model to investigate radiobiological implications of respiratory motion in advanced radiotherapy

Respiratory motion introduces complex spatio-temporal variations in the dosimetry of radiotherapy. There is a paucity of literature investigating the radiobiological consequences of intrafraction motion and concerns regarding the impact of movement when applied to cancer cell lines in vitro exist. We have addressed this by developing a novel model which accurately replicates respiratory motion under experimental conditions to allow clinically relevant irradiation of cell lines. A bespoke phantom and motor driven moving platform was adapted to accommodate flasks containing medium and cells in order to replicate respiratory motion using varying frequencies and amplitude settings. To study this effect on cell survival in vitro, dose response curves were determined for human lung cancer cell lines H1299 and H460 exposed to a uniform 6 MV radiation field under moving or stationary conditions. Cell survival curves showed no significant difference between irradiation at different dose points for these cell lines in the presence or absence of motion. These data indicate that motion of unshielded cells in vitro does not affect cell survival in the presence of uniform irradiation. This model provides a novel research platform to investigate the radiobiological consequences of respiratory motion in radiotherapy.

Méthodes de génération et de validation de champs de déformation pour la recombinaison de distribution de dose à l’aide d’images 4DCT dans le cadre d’une planification de traitement de cancers pulmonaires

Des efforts de recherche considérables ont été déployés afin d'améliorer les résultats de traitement de cancers pulmonaires. L'étude de la déformation de l'anatomie du patient causée par la ventilation pulmonaire est au coeur du processus de planification de traitement radio-oncologique. À l'aide d'images de tomodensitométrie quadridimensionnelles (4DCT), une simulation dosimétrique peut être calculée sur les 10 ensembles d'images du 4DCT. Une méthode doit être employée afin de recombiner la dose de radiation calculée sur les 10 anatomies représentant une phase du cycle respiratoire. L'utilisation de recalage déformable d'images (DIR), une méthode de traitement d'images numériques, génère neuf champs vectoriels de déformation permettant de rapporter neuf ensembles d'images sur un ensemble de référence correspondant habituellement à la phase d'expiration profonde du cycle respiratoire. L'objectif de ce projet est d'établir une méthode de génération de champs de déformation à l'aide de la DIR conjointement à une méthode de validation de leur précision. Pour y parvenir, une méthode de segmentation automatique basée sur la déformation surfacique de surface à été créée. Cet algorithme permet d'obtenir un champ de déformation surfacique qui décrit le mouvement de l'enveloppe pulmonaire. Une interpolation volumétrique est ensuite appliquée dans le volume pulmonaire afin d'approximer la déformation interne des poumons. Finalement, une représentation en graphe de la vascularisation interne du poumon a été développée afin de permettre la validation du champ de déformation. Chez 15 patients, une erreur de recouvrement volumique de 7.6 ± 2.5[%] / 6.8 ± 2.1[%] et une différence relative des volumes de 6.8 ± 2.4 [%] / 5.9 ± 1.9 [%] ont été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Une distance symétrique moyenne 0.8 ± 0.2 [mm] / 0.8 ± 0.2 [mm], une distance symétrique moyenne quadratique de 1.2 ± 0.2 [mm] / 1.3 ± 0.3 [mm] et une distance symétrique maximale 7.7 ± 2.4 [mm] / 10.2 ± 5.2 [mm] ont aussi été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Finalement, 320 ± 51 bifurcations ont été détectées dans le poumons droit d'un patient, soit 92 ± 10 et 228 ± 45 bifurcations dans la portion supérieure et inférieure respectivement. Nous avons été en mesure d'obtenir des champs de déformation nécessaires pour la recombinaison de dose lors de la planification de traitement radio-oncologique à l'aide de la méthode de déformation hiérarchique des surfaces. Nous avons été en mesure de détecter les bifurcations de la vascularisation pour la validation de ces champs de déformation.

Reti neurali e modelli fisico-predittivi: Dati clinici e analisi di trattamenti in tomotherapy

Il lavoro è parte integrante di un progetto di ricerca del Ministero della Salute ed è stato sviluppato presso la Fisica Sanitaria ed il reparto di Radioterapia Oncologica dell’Azienda Ospedaliero Universitaria di Modena. L’obiettivo è la realizzazione di modelli predittivi e di reti neurali per tecniche di warping in ambito clinico. Modifiche volumetrico-spaziali di organi a rischio e target tumorali, durante trattamenti tomoterapici, possono alterare la distribuzione di dose rispetto ai constraints delineati in fase di pianificazione. Metodologie radioterapiche per la valutazione di organ motion e algoritmi di registrazione ibrida permettono di generare automaticamente ROI deformate e quantificare la divergenza dal piano di trattamento iniziale. Lo studio si focalizzata sulle tecniche di Adaptive Radiation Therapy (ART) mediante la meta-analisi di 51 pazienti sottoposti a trattamento mediante Tomotherapy. Studiando il comportamento statistico del campione, sono state generate analisi predittive per quantificare in tempo reale divergenze anatomico dosimetriche dei pazienti rispetto al piano originale e prevedere la loro ripianificazione terapeutica. I modelli sono stati implementati in MATLAB, mediante Cluster Analysis e Support Vector Machines; l’analisi del dataset ha evidenziato il valore aggiunto apportabile dagli algoritmi di deformazione e dalle tecniche di ART. La specificità e sensibilità della metodica è stata validata mediante l’utilizzo di analisi ROC. Gli sviluppi del presente lavoro hanno aperto una prospettiva di ricerca e utilizzo in trattamenti multicentrici e per la valutazione di efficacia ed efficienza delle nuove tecnologie in ambito RT.

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.

Computer-assisted liver surgery: clinical applications and technological trends

Oncological liver surgery and interventions aim for removal of tumor tissue while preserving a sufficient amount of functional tissue to ensure organ regeneration. This requires detailed understanding of the patient-specific internal organ anatomy (blood vessel system, bile ducts, tumor location). The introduction of computer support in the surgical process enhances anatomical orientation through patient-specific 3D visualization and enables precise reproduction of planned surgical strategies though stereotactic navigation technology. This article provides clinical background information on indications and techniques for the treatment of liver tumors, reviews the technological contributions addressing the problem of organ motion during navigated surgery on a deforming organ, and finally presents an overview of the clinical experience in computer-assisted liver surgery and interventions. The review concludes that several clinically applicable solutions for computer aided liver surgery are available and small-scale clinical trials have been performed. Further developments will be required more accurate and faster handling of organ deformation and large clinical studies will be required for demonstrating the benefits of computer aided liver surgery.

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.

Systematic analysis of the intravoxel incoherent motion threshold separating perfusion and diffusion effects: Proposal of a standardized algorithm

PURPOSE To systematically evaluate the dependence of intravoxel-incoherent-motion (IVIM) parameters on the b-value threshold separating the perfusion and diffusion compartment, and to implement and test an algorithm for the standardized computation of this threshold. METHODS Diffusion weighted images of the upper abdomen were acquired at 3 Tesla in eleven healthy male volunteers with 10 different b-values and in two healthy male volunteers with 16 different b-values. Region-of-interest IVIM analysis was applied to the abdominal organs and skeletal muscle with a systematic increase of the b-value threshold for computing pseudodiffusion D*, perfusion fraction Fp , diffusion coefficient D, and the sum of squared residuals to the bi-exponential IVIM-fit. RESULTS IVIM parameters strongly depended on the choice of the b-value threshold. The proposed algorithm successfully provided optimal b-value thresholds with the smallest residuals for all evaluated organs [s/mm2]: e.g., right liver lobe 20, spleen 20, right renal cortex 150, skeletal muscle 150. Mean D* [10(-3) mm(2) /s], Fp [%], and D [10(-3) mm(2) /s] values (±standard deviation) were: right liver lobe, 88.7 ± 42.5, 22.6 ± 7.4, 0.73 ± 0.12; right renal cortex: 11.5 ± 1.8, 18.3 ± 2.9, 1.68 ± 0.05; spleen: 41.9 ± 57.9, 8.2 ± 3.4, 0.69 ± 0.07; skeletal muscle: 21.7 ± 19.0; 7.4 ± 3.0; 1.36 ± 0.04. CONCLUSION IVIM parameters strongly depend upon the choice of the b-value threshold used for computation. The proposed algorithm may be used as a robust approach for IVIM analysis without organ-specific adaptation. Magn Reson Med, 2014. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.

A model for amplification of hair-bundle motion by cyclical binding of Ca2+ to mechanoelectrical-transduction channels

Amplification of auditory stimuli by hair cells augments the sensitivity of the vertebrate inner ear. Cell-body contractions of outer hair cells are thought to mediate amplification in the mammalian cochlea. In vertebrates that lack these cells, and perhaps in mammals as well, active movements of hair bundles may underlie amplification. We have evaluated a mathematical model in which amplification stems from the activity of mechanoelectrical-transduction channels. The intracellular binding of Ca2+ to channels is posited to promote their closure, which increases the tension in gating springs and exerts a negative force on the hair bundle. By enhancing bundle motion, this force partially compensates for viscous damping by cochlear fluids. Linear stability analysis of a six-state kinetic model reveals Hopf bifurcations for parameter values in the physiological range. These bifurcations signal conditions under which the system’s behavior changes from a damped oscillatory response to spontaneous limit-cycle oscillation. By varying the number of stereocilia in a bundle and the rate constant for Ca2+ binding, we calculate bifurcation frequencies spanning the observed range of auditory sensitivity for a representative receptor organ, the chicken’s cochlea. Simulations using prebifurcation parameter values demonstrate frequency-selective amplification with a striking compressive nonlinearity. Because transduction channels occur universally in hair cells, this active-channel model describes a mechanism of auditory amplification potentially applicable across species and hair-cell types.