Tomoterapia. Zagadnienia podstawowe

Tomoterapia Spiralna Tomasz Piotrowski

Zakład Fizyki Medycznej Wielkopolskiego Centrum Onkologii oraz Zakład Elektroradiologii Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu

Anders Brahme 1988 Radiother Oncol 12, pp129

pierwsze doniesienia o możliwości zwiększenia konformalności terapii poprzez zastosowanie modulacji

intensywnością dawki

? 1990

1996 Siemens

Varian

Elekta

‘90

Multileaf Intensity

Modulating Collimator

MIMiC -  Pierwsza zrealizowana koncepcja IMRT;

-  NOMOS Corporation;

-  PEACOCK - system odwrotnego planowania wykorzystujący kolimator wielowistkowy MIMiC;

-  Pierwszy pacjent leczony w 1994 roku;

-  Sekwencyjna tomoterapia;

-  141 instalacji do roku 2003 (dane AAMP)

3D (d

wie

wią

zki l

ater

alne

) IM

RT

(7 w

iąze

k, C

orvu

s sy

stem

)

3DC

RT (5 w

iązek) S

ekwencyjna tom

oterapia (PE

AC

OC

K)

Bruce Curran, NOMOS

Bruce Curran, NOMOS

Dlaczego sekwencyjna tomoterapia nie zdominowała innych rozwiązań technologicznych stosowanych w radioterapii ???

Komplikacje związane z:

- realizacją leczenia (manualny przesów stołu terapeutycznego);

- czasochłonnością; - weryfikacją dozymetryczną;

- weryfikacją geometryczną (EPID); - brakiem koncepcji na zaawansowaną weryfikację anatomiczną (pojawiające się w ofertach innych producentów systemy IGRT oparte na metodzie keV/MeV CBCT lub zdjęć 2D keV);

Chociaż… Koncepcja realizacji RT zaproponowana przez NOMOS była słuszna. IMAT Elekta (Yu, 2002), RapidArc Varian (2008)

Thomas Rockwell Mackie, Tomotherapy

- Nowe podejście do realizacji IMRT -  Integracja systemu -  Proste MLC (MIMiC) -  Poprawa rozdzielczości MLC -  Zwiększenie liczby wiązek - Jedna energia promieniowania X 6MV - Wzrost osłonności ograniczników pola - Tomograficzna weryfikacja leczenia

Tomoterapia Spiralna – założenia

Tomoterapia Spiralna – specyfikacja ogólna

- 6 MV Siemens linac - Up to 8 Gy/min @ axis - 85 cm diameter gantry bore - 64 leaves with 6.25 mm resolution @ axis - 5 cm x 40 cm maximum field @ axis - Slice field width from 5 mm to 50 mm @ axis - Minimum beamlet size 5 mm x 6.25 mm @ axis -  Xenon CT detectors with per pulse acquisition -  0.25 mm precision CT couch -  Leaves 10 cm thick, 95% tungsten alloy -  Primary collimator 22 cm thick 95% tungsten alloy

Na podstawie: TR Mackie, Tomotherapy 2003

Możliwości optymalizacyjne

Na przykładzie obszaru napromieniania o wielkości 10 cm x 10 cm x 10 cm

IMRT realizowane przy użyciu statycznych wiązek promieniowania:

- Kilka (N) wiązek terapeutycznych (od 5 do 9) każda 10 cm x 10 cm - Każda z wiązek składa się z beamletów o wielkości 1 cm x 1 cm

Liczba potencjalnych beamletów do wykorzystania: N x 100 (max 900)

Tomoterapia sekwencyjna (PEACOCK): -  10 obrotów, wokół obszaru napromieniania -  Każdy z obrotów podzielony na 51 równoodległych łuków (ok 7 st) -  Każdy z łuków zawiera 10 beamletów

Liczba potencjalnych beamletów do wykorzystania: 51 x 10 x 10 = 5100

Możliwości optymalizacyjne

Na przykładzie obszaru napromieniania o wielkości 10 cm x 10 cm x 10 cm

Tomoterapia spiralna:

- jak w tomoterapii sekwencyjnej z uwzględnieniem parametru “pitch” - Kliniczne wartości “pitch” od 0.2 (pięć obrotów) do 0.5 (dwa obroty) - Biorąc pod uwagę wiązkę o szerokości 1 cm

Liczba potencjalnych beamletów do wykorzystania: 5 x 5100 = 25 500

Definicja współczynnika pitch: The pitch factor is defined as couch movement per rotation in units of the FBT

FBT - Fan beam thickness (1 cm, 2.5 cm i 5 cm)

Wiązka wachlarzykowa

-  Szerokość od 5 mm do 50 mm -  Brak filtra stożkowego: * dedykowany system IMRT, * większe natężenie w osi centralnej wiązki * brak komponenty neutronowej, brak (minimalny) head-scatter * “prawie jak” CT bowtie filter

Wiązka wachlarzykowa

1 cm 40

cm

Kod

ak X

V fi

lm (M

acki

e et

al)

-  Twardsze spektrum wzgl Clinac 2100

-  Brak utwardzania wiazki poza osią centralną

-  Profil odmienny niż koncepcja “0-1”

MLC

-  System binarny (0-1) -  Otwieranie/zamykanie sterowane systemem opartym na sprężonym powietrzu -  Czas otwarcia 20 ms (rozbieżności uwzględnione w procesie optymalizacji) -  64 listki każdy o nominalnej szerokości 6.25 mm w izocentrum -  Grubość listka 10 cm (95% wolframu) transmisja 0.5% w polu i 0.2% poza polem -  Długość kolimatora 40 cm -  3 szerokości pola (1, 2.5 5 cm) uzyskiwane dzieki ogranicznikom pola (nie MLC)

MLC

Transmisja przez listki

w porównaniu z osiągami

klasycznych akceleratorów

Dlaczego 6.25 mm? (grubość listka w izocentrum):

Shepard et al Med Phys 1999, 26:1212-21 udowodnił, że zastosowanie 6 mm zamiast 10 mm szerokości listków znacząco poprawia jednorodność rozkładu dawek w obszarze napromienianym. Ponadto przedstawił że nie ma zysku klinicznego w przypadku dalszej redukcji szerokości listków do 2 mm. (Nie mówimy tu o rozwiązaniach stereotaktycznych)

Głowica + układ kolimujący pozwalają na zobrazowanie obszaru o średnicy 40 cm. Średnica obszaru terapeutycznego może wynosić nawet 70 cm.

Stół -  Konstrukcyjnie – odpowiednik stołu tomograficznego (różnica płaska leżanka)

-  Możliwość mocowania komercyjnie dostępnych unieruchomień (Sinmed, MedTec…)

-  Trzy kierunki ruchu (brak rotacji)

-  Rotacja w płaszczyźnie poprzecznej pacjenta redukowana automatycznie poprzez zmianę kąta startowego napromieniania

-  Przesów stołu umożliwia realizację jednorazowego napromieniania polem długim do 160 cm (pełna opcja) (40 x 160 cm).

- Precyzja stołu w osi CC 0.25 mm

Obrazowanie MV

-  Konwencjonalny detektor CT (xenon ion chamber) -  Energia w trakcie tworzenia skanów 3.5 MV -  Dawki pochłaniane w trakcie obrazowania 0.5 – 3 cGy -  Detektory odgrodzone wolframowymi błonami w celu likwidacji szumu “cross-talk” (miedzy detektorowego) - Dwojaka funkcja detektorów: obrazowanie MVCT przed podaniem dawki terapeutycznej oraz w trakcie napromieniania archiwizowanie informacji o pochłoniętej dawce w celu jej prezentacji na skanach MVCT

Ruchala et al Med Phys 2002;29:2590-605 udowodnił: -  możliwość detekcji struktur o średnicach 3 cm i różniących się kontrastem o 3% (mięśnie-tłuszcz) -  dla struktur znacząco różniących się kontrastem (powietrze-kości) istnieje możliwość detekcji struktur o średnicy 1.2 mm

Obrazowanie MV

- MVCT stosowane głównie w trakcie kursu RT w celu weryfikacji międzyfrakcyjnych zmian anatomicznych. W wybranych przypadkach możliwość wykorzystania w procesie przygotowania planu leczenia (leczenie paliatywne – moduł StartRT, artefakty na kVCT i ich brak na MVCT)

MVCT

kVCT

MVCT kVCT

MVCT kVCT

Oprogramowanie: System Planowania

-  Planowanie odwrotne (dedykowane IMRT) -  algorytm Collapsed Cone C/S -  32 procesorowa jednostka obliczeniowa (olbrzymia liczba beamletów) -  TERMA (total energy release per unit mass) kalkulacja wstępna (minuty) (szybka, przyblirzona, nie zawierająca pełnych informacji o rozkładzie dawki) -  W trakcie pierwszej kalkulacji dawek tworzony sinogram zawierający informacje o interakcji każdego potencjalnego beamletu z ośrodkiem napromieninym (10 – 30 min). Kolejne kalkulacje dawek modyfikują istniejący sinogram ( < 2 min) -  Full beamlet calc – kalkulacja pełna (godziny, zapuszczana na noc)

-  Brak problemu “odmiennych dawek” (przykład helios-eclipse)

Oprogramowanie: Fuzja obrazów

-  Weryfikacja ułożenia przed rozpoczęciem sesji terapeutycznej -  Fuzja kVCT-MVCT lub MVCT-MVCT -  Automatyczna korekta pozycji w osiach C-C, A-P, M-L oraz korekta rotacji pacjenta wokół osi długiej (C-C) – zmieniana jest pozycja startowa źródła. Brak korekcji rotacji wokół osi A-P i M-L

Oprogramowanie: Rekonstrukcja dawki -  Unikalna metoda oparta na dozymetrii transmisyjnej. -  Zbieranie przez detektor informacji dot. natężenia promieniowania emitowanego w trakcie sesji RT -  Rekonsrukcja dawki na uprzednio utworzonych skanach MVCT lub na skanach użytych w trakcie planowania kVCT -  Porównanie dawek pierwotnych (zaplanowanych) z aktualnymi (dostarczonymi w trakcie sesji RT) ze szczególnym uwzględnieniem PRV/OAR i obszaru napromieniania. Porównanie izodoz i histogramowe. -  Możliwość reoptymalizacji planu leczenia z uwzględnieniem zaistniałych rozbieżności pomiędzy dawami.

Proces

Weryfikacja dawki po zastosowanych przesunięciach

Rekonstrukcja dawki

Uwzględnienie informacji o deformacji krzywoliniowej

Reoprymalizacja

przed leczeniem różnica dawek przed i po przesunięciu

przesunięcie o 3 woksele (0.54 cm)

dawka podana bez uwzględnienia przesunięcia

dawka uzupełniająca

Reoprymalizacja

Przypadki kliniczne – oś mózgowo-rdzeniowa

Przypadki kliniczne – TMI

Klasyczny TBI

HT TMI

Przypadki kliniczne – scalp

Przypadki kliniczne – głowa i szyja

Przypadki kliniczne – rdzeń kręgowy, re-treatment

Przypadki kliniczne – mózg

Przypadki kliniczne – rak piersi

Direct tomotherapy (nowa opcja)

Helical tomotherapy

Przypadki kliniczne – rak stercza

Przypadki kliniczne – rak odbytu

Przypadki kliniczne – anal adenocarcinoma Step and shot IMRT Helical tomotherapy

Przypadki kliniczne - wątroba

Przypadki kliniczne – rak płuca