intensity modulated radiation therapy: aspetti fisici · il problema inverso in radioterapia...

IIntensity ntensity MModulated odulated RRadiation adiation TTherapyherapy: aspetti fisici: aspetti fisici

M. IoriM. Iori

Servizio di Fisica SanitariaServizio di Fisica SanitariaArcispedale S. Maria Nuova Arcispedale S. Maria Nuova -- Reggio EmiliaReggio Emilia

LL’’evoluzione della Radioterapia: evoluzione della Radioterapia: dalla dalla RTRT alle alle IMRTIMRT

3

The The EvolutionEvolution ofof RadiationRadiation TherapyTherapy

High resolutionIMRT

Multileaf Collimator Dynamic MLCand IMRT

19601960’’ss 19701970’’ss 19801980’’ss 19901990’’ss 20002000’’ss

Standard CollimatorVarianVarian delivereddelivered the first 360 the first 360 isocentricisocentric linearlinear acceleratoraccelerator forforcancercancer treatmentstreatments. The . The ClinacClinacacceleratoraccelerator offeredoffered reductionreduction in in complicationscomplications overover conventionalconventionalCoCo--60 60 treatmentstreatments..

Cerrobend BlockingElectron Blocking

VarianVarian providedprovided the first the first medicalmedicalacceleratoraccelerator in the USA in the USA forfortreatment and electron treatment and electron therapytherapy forforsuperficialsuperficial treatmentstreatments. . BlocksBlockswerewere usedused toto reduce the dose reduce the dose totonormalnormal tissuestissues

AdvancesAdvances in computer planning in computer planning and the and the introductionintroduction ofof the the computerizedcomputerized 2100C and MLC 2100C and MLC leadlead toto 3D 3D conformalconformal therapytherapywhichwhich allowedallowed the first dose the first dose escalation escalation trialstrials..

ComputerizedComputerized IMRT IMRT introducinedintroducined whichwhichprovedproved toto bebe the the mostmostefficientefficient and and effectiveeffectivemeansmeans toto escalateescalate dose dose and reduce and reduce compilationscompilations

SeeSee and and treattreat

FunctionalFunctional ImagingImaging

IMRT IMRT EvolutionEvolution evolvesevolvestoto smallersmaller and and smallersmallersubfieldssubfields and high and high resolutionresolution IMRT IMRT alongalongwithwith the the introductionintroduction ofofnewnew imagingimagingtechnologiestechnologies

The First Clinac Computerized 3D CT Treatment Planning

Preso dalle pagine Internet della ditta Varian

RT & 3DRT & 3D--CRT technique for prostate tumourCRT technique for prostate tumour

RT techniqueRT technique

3D3D--CRT techniqueCRT technique

IMRT techniqueIMRT technique

5

Dalla 3DDalla 3D--CRT CRT ⇒⇒ IMRTIMRT

Preso da un articolo di A. Brahme sulla IMRT

6

3D3D--CRT vs. IMRT: a CRT vs. IMRT: a clinicalclinical casecase

Beam Profile # 1

BeamProfile # 2

BeamProfile # 3

Dose Intensity

PTV

RO

PTV

RO

33--field RTfield RT 33--field IMRTfield IMRT

Prescribed Dose (typical distribution)

Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab

7

3D3D--CRT vs. IMRT: a CRT vs. IMRT: a clinicalclinical casecasePreso da un corso sulla IMRT del

MSKCC del 2003

LL’’OOttimizzazione ed il ttimizzazione ed il PProblema roblema IInverso in Radioterapianverso in Radioterapia

9

La La Pianificazione DirettaPianificazione Diretta in Radioterapiain Radioterapia

Procedura per l’ottimizzazione manuale (tray and error) di un piano di trattamento:

selezionare modalità ed energia delle radiazioni;

selezionare numero ed angolazione dei fasci radianti;

selezionare dimensioni e pesi relativi dei campi radianti;

introdurre dispositivi statici di modulazione del fascio;

calcolare la distribuzione di dose complessiva, analizzare la bontà del risultato ottenuto con i tools di valutazione;

rimodificare i parametri sopra indicati qualora il piano di trattamento calcolato non confermi il giudizio fisico e clinico di piano ottimale.

10

Il Problema Inverso in RadioterapiaIl Problema Inverso in Radioterapia

L’ottimizzazione del piano di trattamento viene posto come Problema Inverso:

partendo da una distribuzione di dose considerata “ottimale” e clinicamente efficace, determinare i parametri di trattamento che forniscono tale distribuzione di dose nel paziente.

Una tale impostazione individua matematicamente un problema inverso:

la ricerca delle soluzioni richiede l’introduzione di tecniche matematiche di ottimizzazione che dovranno realizzare l’inversione di matrici in presenza di vincoli prefissati.

Per l’Intensità Modulata ciò equivale a trovare la migliore configurazione dei fasci ed il loro relativo profilo di intensità di fluenza.

11

La soluzione richiede lLa soluzione richiede l’’inversione di matriceinversione di matriceSuddiviso il volume irradiato in voxel con dosi discrete di, scomposta

l’intensità planare (della fluenza di energia) del fascio radiante in singoli fascetti ciascuno dotato di propria intensità xj, chiamati ai,j i coefficienti di interazione della dose per unità di fluenza, il problema dell’ottimizzazione si può visualizzare come:

ISTOGRAMMA INTEGRALE

10 10 10 1010 10 20 20 158 8 5 15

10 10 8 15 13

11ISTOGRAMMA DIFFERENZIALE

987 765 543 321 1

Dosi 5 8 10 15 20 Dosi 5 8 10 15 20

Num

ero

o vo

lum

e

Num

ero

o vo

lum

e

jjii xad ⋅= ,

Patient body

Beam fluence

aij

12

La strategia verso la Pianificazione InversaLa strategia verso la Pianificazione InversaSi risolve il problema attraverso un processo di ottimizzazione che minimizzi una funzione E della deviazione di dose, dove dmed è la distribuzione di dose ideale richiesta dal medico, dcal = A • x è la distribuzione di dose da calcolare e minimizzare variando il parametro della fluenza x :

Sono stati imposti sul funzionale E(x) dei vincoli aggiuntivi E* per introdurre nel processo di ottimizzazione criteri di tipo fisico e clinico. Tale funzionale prende il nome di Funzione obbiettivo, Funzione di costo o punteggio.Si useranno tecniche di ottimizzazione iterative, limitando, durante il processo di ottimizzazione, lo spazio di ricerca delle soluzioni secondo quanto indicato nei vincoli (constraints) predefiniti.

( )[ ] ( )[ ]⎩⎨⎧

≥+⋅−=+−

0minmin **

i

medcalmed

xExAdEEddE

13

Soft & Hard Soft & Hard constraintsconstraints

Soft: Dose maxper un OAR

Hard: Dose maxper un OAR

Soft: Dose max e min per il tumore Hard/Soft: Dose -Volume per CTV e/o OAR

Un esempio di Un esempio di IInverse nverse PPlanning lanning per un trattamento per un trattamento IMRTIMRT

15

The Inverse Planning The Inverse Planning ModuleModule # 1# 1

Volume Volume contouringcontouring &&fieldfield definitionsdefinitions

16

The Inverse Planning The Inverse Planning ModuleModule # 2# 2

Real-Timeobjective function

Real-Time DVH

Real-Time DVH

Real-Time DVH

Real-Time Fluence Map

17

PlanPlan optimizationoptimization

During optimization, the radiationintensity of each beamlet is varied.

Beam’s eye view of the target


18

FluenceFluence MapMap VerificationVerification

Beam’s eye view Map recorded on filmMap calculatedby computer


Le modalitLe modalitàà di di DDelivery nella elivery nella IMRTIMRT

20

Il Il MultiLeafMultiLeaf CollimatorCollimator (MLC) in dettaglio(MLC) in dettaglio

60mm tungsten60mm tungsten

Cross-section through a 1.7mm thin leaf (3.0 mm at isocenter)

“Tongue and Groove”Design for minimal leakageof <2% between the leaves

Preso dalle pagine Internet delle ditte GE e BrainLab

21

SMLC SMLC -- IMRT delivery modality # 1IMRT delivery modality # 1

Leading leaf

Trailing leaf

Inte

nsità

(MU

)

Asse X del profilo (cm) Asse X del profilo (cm) Asse X del profilo (cm)

Inte

nsità

(MU

)

Inte

nsità

(MU

)

Xi Xi Xi

MUi

Leaf BLeaf A Leaf A Leaf B

(Fig. 4a) (Fig. 4b) (Fig. 4c)

Beam ON Beam ON

22

SMLC SMLC -- IMRT delivery modality # 2IMRT delivery modality # 2

Asse X del profilo (cm) Asse X del profilo (cm)

Inte

nsità

(MU

)

Inte

nsità

(MU

)

Inte

nsità

(MU

)

Asse X del profilo (cm) XiXi Xi

MUAi

MUBi

Leaf A Leaf ALeaf A

Leaf B

Leaf BLeaf B

(Fig. 4d) (Fig. 4e) (Fig. 4f)

Beam ON Beam ON Trailing leaf Leading leaf

23

3. MLC field Set-Up

2. MLC field Set-Up

1. MLC field Set-Up

StepStep & & ShootShoot IMRT (SMLC) # 3IMRT (SMLC) # 3

1/3

Dose

1/3

Dose

1/3

Dose

Total Resulting Dose

2/3 Dose


24

DMLC DMLC -- IMRT delivery modalityIMRT delivery modality

Total intensity at P :

φp = ∫ I( xr(t)-p) I(p- xl(t)) dtt=0

T

directionof motion

Left-leaf Right-leaf

P

beam-ontime

A A simplifiedsimplified diagramdiagram

Leading leaf

Preso da una pubblicazione del 2002 su Le Scienze

25

Inte

nsità

(MU

)

Inte

nsità

(MU

)

(F ig. 5a)

Asse X del profilo (cm)

Inte

nsità

(MU

)

Asse x del profilo (cm) Asse x del profilo (cm)

Area 1 Area 2 Area 3 Area 4

Area 1

x

MU(x)

Area 2

Area 3

Area 4

Area 1

Area 2 Area 3

Area 4

Inte

nsità

(MU

)

Asse x del profilo (cm)

(Fig. 5b)

(Fig. 5c) (Fig. 5d)

MU(x)

MU(x)

MU(x)

DMLC DMLC -- IMRT delivery modality # 1IMRT delivery modality # 1

26

Leaf A Leaf B

Leaf A

Leaf A

Leaf B

Leaf B

Leaf BLeaf A

Inte

nsità

(MU

)

Inte

nsità

(MU

)

MUA(x)

MUB(x)

MU(x)

x

MU(x)

xAsse X del profilo (cm) Asse X del profilo (cm)(Fig. 5e) (Fig. 5f)

Beam ON

DMLC DMLC -- IMRT delivery modality # 2IMRT delivery modality # 2

Trailing leaf

Leading leaf

27

La La tomoterapiatomoterapia seriale: il seriale: il MIMiCMIMiC

La modalità di esecuzione del trattamento

Soluzione 1 di n

Soluzione 2 di n

90°

45°

0°

315°

270°

225° 135°

180°

315°270° 0° 45° 90° 135°225°

315°270° 0° 45° 90° 135°225°

Livelli di Dose

Livelli di Dose

180°

180°

Arco di pendolazione

Arco di rotazione

Arco di rotazioni

28

TomoterapiaTomoterapia elicoidale ed acceleratori elicoidale ed acceleratori robotizzatirobotizzati

LL’’MLC MLC delldell’’Hi.ArtHi.Art

The The HiHi••ARTART TomoTherapyTomoTherapy SystemSystem Il Il CiberCiber--KnifeKnife

29

IMMAIMMA –– IIntensityntensity MModulatedodulated MMultiple ultiple AArcrc : a : a way way towardstowards IMATIMAT

PTVPTV PTV PTV 11 PTV PTV 22

PTV PTV 33 PTV PTV 44 ΣΣ PTV PTV nn

The The problemproblem :: howhow can can wewe approachapproach the IMAT the IMAT techniquetechnique toto treattreat complexcomplex target target volumesvolumes withoutwithout disposingdisposing ofof a a dedicateddedicated IP and IP and sequencersequencer ? ?

The idea :The idea : toto approachapproach the IMAT the IMAT techniquetechnique byby breakingbreaking up the up the tumortumor intointo appropriate appropriate subsub--volumesvolumes and, and, usingusing the CDthe CD--ARC ARC optionoption, , optimizeoptimize the the planplan in a in a forwardforward way, way, changingchangingmanuallymanually the the numbernumber and and rangerange ofof arcarc rotationsrotations, the , the fieldfield weightsweights and the and the shapeshape ofof eacheachDMLC DMLC arcarc segmentsegment..

PTVPTV

30

IMMAIMMA: the : the manualmanual optimizationoptimization ofof the DMLCthe DMLCSEG 1SEG 1

SEG 2SEG 2

SEG 3SEG 3

SEG 4SEG 4

SEG 5SEG 5

SEG6SEG6

SEG 7SEG 7

SEG 10SEG 10

SEG 9SEG 9

SEG 8SEG 8

SEG 11SEG 11

SEG 12SEG 12

SEG 14SEG 14

SEG 13SEG 13

SEG 15SEG 15

CDCD--ARC field manually optimisedARC field manually optimised

SSMLC MLC -- IMRT IMRT vs. vs. DDMLC MLC -- IMRTIMRT

32

IMRT: DMLC vs. SMLC # 1IMRT: DMLC vs. SMLC # 1

TimeTime comparisoncomparison betweenbetweenDMLC & SMLC (10 DMLC & SMLC (10 levelslevels))

Prese da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC

33

Total Total wholewhole body dose body dose equivalentequivalentDose Dose equivalentequivalent ((mSvmSv) ) forfor deliveddelived dose dose ofof 70Gy at 70Gy at isocentreisocentre

34

IMRT: DMLC vs. SMLC # 2IMRT: DMLC vs. SMLC # 2


Aspetti fisici e dosimetriciAspetti fisici e dosimetricidella della IMRTIMRT

36

Double and Single Focused MLCSecondary and Tertiary MLCLeaf width, number of leaves and maximum field sizeLeaf length and leaf over-travelLeaf trajectory and leaf speedTotal beam-on timeMinimum leaf gapTongue-and-groove effectLeaf gap widthLeaf gap offset

AlcuniAlcuni aspettiaspetti fisicifisici delladella IMRTIMRT

Inter-digitationsLeaf leakageEfficiency factorSmoothingSplitting large fieldsSkin flashHeterogeneity correctionsTotal whole body dose equivalentIntraIntra--fractionfraction breathingbreathingmotionmotion

37

Effect of leaf steps on dose distributionis clinically relevant to protect CriticalOrgans and to treat the PTV Effective Penumbra

Effective Penumbrais increasing with leaf with

PTV

CriticalOrgan

LeafLeaf widthwidth & & numbernumber ofof leavesleavesLeaf Thickness of the m3 micro-MLC

3.0mm5.5mm 4.5mm

Preso da un CD della Brain-Lab sulla IMRT

38

The The physicphysic ofof MLCMLC

RoundedRounded edgesedges: : leafleaf gap gap offset / offset / shiftshift equivalentequivalent / /

DLSDLS

TransmissionTransmission & & leakageleakage TongueTongue & & groovegroove

39

The The physicphysic ofof MLCMLC

RoundedRounded edgesedges: : leafleaf gap gap offset / offset / shiftshift equivalentequivalent / DLS/ DLS TransmissionTransmission & & leakageleakage TongueTongue & & groovegroove

I(x)leaf end

x

leaftransmission.

leafpenumbra

ε

1directexposure

Preso da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC

40

(Fig. 6a)

Tem

po d

i bea

m O

N (M

U)

Punto che definisce l'inizio di un nuovo segmento e la fine del segmento precedente nella DMLC.Punti di controllo delle

posizioni delle lamelle ogni xx msec nella DMLC.

(Fig. 6b) Posizione lamelle lungo l'asse x del profilo (cm)

Punto di controllo delle posizioni delle lamelle ogni xx msec nella DMLC.

Position leaf tolerance

Position leaf tolerance

Traiettoria effettiva realizzata dalle lamelle

Punto che definisce l'inizio di un nuovo segmento e la fine del segmento precedente nella DMLC.

Interpolazione lineare della traiettoria fatta dal controller dell'MLC tra due segmenti contigui nella DMLC

Interpolazione lineare della traiettoria fatta dal controller dell'MLC tra due segmenti contigui nella DMLC

Posizione lamelle lungo l'asse x del profilo (cm)

Tem

po d

i bea

m O

N (M

U)

Leaf A Leaf B

t0

t2

t3

t4

t1

x0A,B

x1Ax1B

x4B

x3B

x2Bx2A

x3A

x4A

Beam ON

IMRT : MLC controlIMRT : MLC control

41

(Fig. 7a)

Inte

nsità

(MU

)


10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

(Fig. 7b)In

tens

ità (M

U)


10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vcrt = 0.1cm/MU Vmax = 0.2cm/MU

Vcrt = 0.3cm/MU

Vmax = 1.2cm/MU

Vcrt = 2cm/MU

DMLC DMLC -- IMRT : leaf speed and MUtot valuesIMRT : leaf speed and MUtot values

42

Leaf trajectory and leaf speed:la velocità delle lamelle di un MLC è importante sia per la SMLC che per la DMLC. Nella SMLC influisce sul tempo totale di trattamento. Nella DMLC la fluenza del campo radiante viene modulata modificando temporalmente la posizione spaziale delle lamelle (considerando costante il rep-rate). Le velocità che concorrono alla modulazione nella DMLC sono: la massima velocità meccanica VVmccmcc (cm/s) definita all’isocentro, tipicamente pari a 2 - 2.5cm/s, la velocità critica VVcrtcrt (cm/MU) correlata ad uno dei segmenti (step) del profilo d’intensità da realizzare, definita come l’inverso della pendenza del profilo stesso, la velocità massima ottenibile VVmaxmax (cm/MU), definita come il rapporto tra Vmcc ed il rep-rate Rf (MU/s) erogato dall’acceleratore, e la velocità di modulazione VVmodmod:

Aspetti fisici della IMRTAspetti fisici della IMRT

))(1()/(

max

maxmod

xxIV

VMUcmV

ΔΔ⋅±

=

43

Splitting large IM fieldsSplitting large IM fieldsNasopharynx PA field – leaf pair 18


44

IMRT: Skin flashIMRT: Skin flash


45

IMRT: heterogeneity correctionIMRT: heterogeneity correction

4Field Head&Neck treatment with 6MV photons4Field Head&Neck treatment with 6MV photons

Small beams & IMRTSmall beams & IMRT


ModalitModalitàà di verifica e QA per i di verifica e QA per i trattamenti trattamenti IMRT IMRT eded IMATIMAT

47

PrePre--treatment dosimetry proceduretreatment dosimetry procedureR&VS

TPS

Relative dosimetry: ±3mm

Absolute dosimetry: ± 3%

LINAC

48

QA tests for the DMLC system # 1QA tests for the DMLC system # 1Static Check: optical measure of

dosimetric leaves separationDynamic check: position accuracy

and round-ends leaves effect

QA tests for DMLC system # 2QA tests for DMLC system # 2Stability of leaves speed

Sistemi di immobilizzazione ed Sistemi di immobilizzazione ed utilizzo del utilizzo del PPortal ortal VVisionision

51

First IMRT treatmentsFirst IMRT treatments

Actual IMRT treatmentsActual IMRT treatments

H&N immobilizationH&N immobilization

Future IMRT treatmentsFuture IMRT treatments

52

H&N: the shoulder problem # 1H&N: the shoulder problem # 1

CT # 1CT # 1

CT # 2CT # 2

CT # 1CT # 1

CT # 2CT # 2

53

H&N: the shoulder problem # 2H&N: the shoulder problem # 2

CT slices # 2CT slices # 2

CT slices # 1CT slices # 1

1

41 2

2

3

3 4

54

Estimating setEstimating set--up error up error

Identification of bony landmarks on simul/therapy images

Matching of bony landmarks (manual methods; automatic methods)

Δ x

Δ y

Δθ

Δ x

Δ y ΔθBy Claudio Fiorino, ISE course 2003, Torino

Reducing uncertainties: SetReducing uncertainties: Set--up correction up correction proceduresprocedures

On-line correction- each fraction (EPID) - computer-controlled couches

Off-line correction- estimation of systematic and

random errors from a small number of images

- definition of action levels (decision rules)

- correction of systematic error -4 -2 0 2 4

-4

-2

0

2

4

-4 -2 0 2 4

-4

-2

0

2

4

Systematic+randomRandom

systematic

random

systematic

random

systematic

random

systematic

random

By Claudio Fiorino, ISE course 2003, Torino

56

Scatter plot of RE plan setScatter plot of RE plan set--up deviationup deviationProsta te se t-up da ta dispersion ( # 8 pa tients)

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Latero - lateral direction (cm)

Cra

nio

- cau

dal d

irect

ions

(cm

)

Gantry 0°

Prosta te se t-up da ta dispersion ( # 8 pa tients)

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

A ntero - pos terior direc tion (cm)

Cra

nio

- cau

dal d

irect

ion

(cm

)

Gantry 270°

Head & neck se t-up da ta dispersion ( # 7 pa tients )

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Latero - lateral direc tion (cm)

Cra

nio

- cau

dal d

irect

ion

(cm

)

Gantry 0°

Head & neck set-up da ta dispersion ( # 7 pa tients )

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

A ntero - posterior direc tion (cm)

Cra

nio

- cau

dal d

irect

ion

(cm

)

Gantry 270°

Prostate:Prostate:Σpro = 0.32 cm σpro = 0.30 cm

Head & Neck:Head & Neck:Σh&n = 0.31 cm σh&n = 0.25 cm

57

LL’’utilizzo di marker interni per la verifica del utilizzo di marker interni per la verifica del posizionamentoposizionamento

Preso dal CD della MedTech

58

Acceleratori & KV Cone Beam CTAcceleratori & KV Cone Beam CT

Preso dalle pagine Internet delle ditte Varian ed Elekta

59

Acceleratori & KV Cone Beam CTAcceleratori & KV Cone Beam CT

Preso da una presentazione in rete sulle pagine Internet della ditta Varian

60

4D Radiation Therapy Delivery4D Radiation Therapy DeliveryTracking “4-D” IMRT

Medical College of Virginia

Tracking IMRTConventional IMRT

“Dynamic targeting” or “Image-guided Motion Management

“Varian On-Board Imaging”

intensity modulated radiation therapy: aspetti fisici · il problema inverso in radioterapia...

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