Intensity Modulated Radiation
Therapy: aspetti fisici
M. Iori
Servizio di Fisica Sanitaria
Arcispedale S. Maria Nuova - Reggio Emilia
L’evoluzione della Radioterapia:
dalla RT alle IMRT
The Evolution of Radiation Therapy
1960’
1960’s
1970’
1970’s
The First Clinac
1980’
1980’s
1990’
1990’s
2000’
2000’s
Computerized 3D CT
Treatment Planning
Functional Imaging
See and treat
Standard Collimator
Varian delivered the first 360
isocentric linear accelerator for
cancer treatments.
treatments. The Clinac
accelerator offered reduction in
complications over conventional
CoCo-60 treatments.
treatments.
Cerrobend Blocking
Electron Blocking
Varian provided the first medical
accelerator in the USA for
treatment and electron therapy for
superficial treatments.
treatments. Blocks
were used to reduce the dose to
normal tissues
Preso dalle pagine Internet della ditta Varian
Multileaf Collimator
Advances in computer planning
and the introduction of the
computerized 2100C and MLC
lead to 3D conformal therapy
which allowed the first dose
escalation trials.
trials.
Dynamic MLC
and IMRT
Computerized IMRT
introducined which
proved to be the most
efficient and effective
means to escalate dose
and reduce compilations
High resolution
IMRT
IMRT Evolution evolves
to smaller and smaller
subfields and high
resolution IMRT along
with the introduction of
new imaging
technologies
3
RT & 3D-CRT technique for prostate tumour
RT technique
IMRT technique
3D-CRT technique
Dalla 3D-CRT ⇒ IMRT
Preso da un articolo di A. Brahme sulla IMRT
5
3D-CRT vs. IMRT: a clinical case
3-field RT
3-field IMRT
Beam Profile # 1
Dose
Intensity
Beam
Profile # 2
Prescribed Dose
(typical distribution)
RO
RO
PTV
PT
V
Beam
Profile # 3
Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab
6
3D-CRT vs. IMRT: a clinical case
Preso da un corso sulla IMRT del
MSKCC del 2003
7
L’Ottimizzazione ed il Problema
Inverso in Radioterapia
La Pianificazione Diretta in Radioterapia
Procedura per l’ottimizzazione manuale (tray and error) di un
piano di trattamento:
z
selezionare modalità ed energia delle radiazioni;
z
selezionare numero ed angolazione dei fasci radianti;
z
selezionare dimensioni e pesi relativi dei campi radianti;
z
introdurre dispositivi statici di modulazione del fascio;
z
calcolare la distribuzione di dose complessiva, analizzare la
bontà del risultato ottenuto con i tools di valutazione;
z
rimodificare i parametri sopra indicati qualora il piano di
trattamento calcolato non confermi il giudizio fisico e clinico di
piano ottimale.
9
Il Problema Inverso in Radioterapia
L’ottimizzazione del piano di trattamento viene posto come
Problema Inverso:
z 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:
z 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.
10
La soluzione richiede l’inversione di matrice
Suddiviso 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:
d i = ai, j ⋅ x j
ISTOGRAMMA INTEGRALE
Beam fluence
10
10
10
10
10
10
20
20
15
8
10
8
10
5
8
15
15
13
11
ISTOGRAMMA DIFFERENZIALE
9
Patient body
7
6
7
Numero o volume
aij
Numero o volume
8
5
4
3
2
1
Dosi
5
8
10
15
20
5
3
1
Dosi
5
8
10
15
20
11
La strategia verso la Pianificazione Inversa
Si 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 :
[(
)
]
[(
)
⎧ min E d med − d cal + E * = min E d med − A ⋅ x + E *
⎨
⎩ xi ≥ 0
]
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.
12
Soft & Hard constraints
Soft: Dose max
per un OAR
Soft: Dose max e min per il tumore
Hard: Dose max
per un OAR
Hard/Soft: Dose -Volume per CTV e/o OAR
13
Un esempio di Inverse Planning
per un trattamento IMRT
The Inverse Planning Module # 1
Volume contouring &
field definitions
15
The Inverse Planning Module # 2
Real-Time DVH
Real-Time DVH
Real-Time DVH
Real-Time
objective function
Real-Time Fluence Map
16
Plan optimization
Beam’s eye view of the target
During optimization, the radiation
intensity of each beamlet is varied.
Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab
17
Fluence Map Verification
Beam’s eye view
Map calculated
by computer
Map recorded on film
Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab
18
Le modalità di Delivery nella
IMRT
Il MultiLeaf Collimator (MLC) in dettaglio
60mm
60mm tungsten
tungsten
¾ Cross-section through a
1.7mm thin leaf (3.0 mm at
isocenter)
¾ “Tongue and Groove”
Design for minimal leakage
of <2% between the leaves
Preso dalle pagine Internet delle ditte GE e BrainLab
20
SMLC - IMRT delivery modality # 1
Beam ON
Leaf A
Trailing leaf
Leaf A
Leaf B
Beam ON
Leaf B
Intensità (MU)
Intensità (MU)
Intensità (MU)
Leading leaf
MUi
(Fig. 4a)
Xi
Asse X del profilo (cm)
(Fig. 4b)
Xi
Asse X del profilo (cm)
(Fig. 4c)
Xi
Asse X del profilo (cm)
21
SMLC - IMRT delivery modality # 2
Beam ON
Leaf A
Beam ON
Leaf B
Trailing leaf
Leading leaf
Leaf B
Leaf A
Leaf A
Intensità (MU)
Intensità (MU)
Intensità (MU)
MUAi
MUBi
Leaf B
(Fig. 4d)
Xi
Asse X del profilo (cm)
(Fig. 4e)
Xi
Asse X del profilo (cm)
(Fig. 4f)
Xi
Asse X del profilo (cm)
22
Step & Shoot IMRT (SMLC) # 3
1/3
Dose
1. MLC field Set-Up
1/3
Dose
2. MLC field Set-Up
2/3
Dose
1/3
Dose
3. MLC field Set-Up
Total Resulting Dose
Preso da un CD sulla IMRT della ditta BrainLab
23
DMLC - IMRT delivery modality
A simplified diagram
Total intensity at P :
T
φ p = ∫ I( x r (t)-p) I(p- x l(t)) dt
t=0
Right-leaf
Left-leaf
beam-on
time
Leading leaf
direction
of motion
Preso da una pubblicazione del 2002 su Le Scienze
P
24
Intensità (MU)
Intensità (MU)
DMLC - IMRT delivery modality # 1
M U (x )
M U (x )
Area 1
(F ig . 5b )
Area 2
Area 4
Are a 3
As se x d e l p ro filo (c m )
Area 4
Intensità (MU)
Intensità (MU)
(F ig . 5a)
x
Asse x d el p ro filo (c m )
Are a 2
M U (x )
Area 2
Area 3
Area 4
M U (x )
Area 1
(F ig . 5c)
Area 3
Ass e X d e l p ro filo (c m )
Area 1
(F ig . 5d )
Ass e x d el p ro filo (cm )
25
DMLC - IMRT delivery modality # 2
Beam ON
Leaf A
MUA(x)
Trailing leaf
Intensità (MU)
MU(x)
Leaf A
MU(x)
Leaf B
Intensità (MU)
MUB(x)
(Fig. 5e)
x
Asse X del profilo (cm)
Leading leaf
Leaf A
Leaf A
Leaf B
(Fig. 5f)
Leaf B
x
Asse X del profilo (cm)
26
Leaf B
La tomoterapia seriale: il MIMiC
Arco di pendolazione
Soluzione 1 di n
Livelli di Dose
0°
315°
45°
La modalità di esecuzione del
trattamento
180°
225° 270°
315°
0°
45°
90° 135°
Arco di rotazione
90°
270°
Soluzione 2 di n
Livelli di Dose
135°
225°
180°
180°
225° 270°
315°
0°
45°
90° 135°
Arco di rotazioni
27
Tomoterapia elicoidale ed acceleratori
robotizzati
Il Ciber-Knife
The Hi•ART TomoTherapy System
L’MLC
dell’Hi.Art
28
IMMA – Intensity Modulated Multiple Arc : a
way towards IMAT
‰
The problem : how can we approach the IMAT technique to treat complex target
volumes without disposing of a dedicated IP and sequencer ?
PTV
PTV 1
PTV 2
PTV
PTV 3
‰
PTV 4
Σ PTV n
The idea : to approach the IMAT technique by breaking up the tumor into appropriate
sub-volumes and, using the CD-ARC option, optimize the plan in a forward way, changing
manually the number and range of arc rotations, the field weights and the shape of each
DMLC arc segment.
29
IMMA: the manual optimization of the DMLC
SEG 1
SEG 15
SEG 2
SEG 14
SEG 13
SEG 3
SEG 12
SEG 4
SEG 11
SEG 5
CD-ARC field manually optimised
SEG 10
SEG6
SEG 8
SEG 7
SEG 9
30
SMLC - IMRT vs. DMLC - IMRT
IMRT: DMLC vs. SMLC # 1
Time comparison between
DMLC & SMLC (10 levels)
Prese da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
32
Total whole body dose equivalent
Dose equivalent (mSv) for delived dose of 70Gy at isocentre
33
IMRT: DMLC vs. SMLC # 2
Prese da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
34
Aspetti fisici e dosimetrici
della IMRT
Alcuni aspetti fisici della IMRT
Double and Single Focused MLC
Secondary and Tertiary MLC
Leaf width, number of leaves and
maximum field size
Leaf length and leaf over-travel
Leaf trajectory and leaf speed
Total beam-on time
Minimum leaf gap
Tongue-and-groove effect
Leaf gap width
Leaf gap offset
Inter-digitations
Leaf leakage
Efficiency factor
Smoothing
Splitting large fields
Skin flash
Heterogeneity corrections
Total whole body dose
equivalent
Intra-fraction breathing
motion
36
Leaf width & number of leaves
Leaf Thickness of the m3 micro-MLC
Effective Penumbra
is increasing with leaf with
5.5mm
4.5mm 3.0mm
Critical
Organ
PTV
Effect of leaf steps on dose distribution
is clinically relevant to protect Critical
Organs and to treat the PTV Ö
Effective Penumbra
Preso da un CD della Brain-Lab sulla IMRT
37
The physic of MLC
Rounded edges: leaf gap
offset / shift equivalent /
DLS
Transmission & leakage
Tongue & groove
38
The physic of MLC
I(x)
leaf end
1
direct
exposure
leaf
penumbra
leaf
.
ε transmission
x
Rounded edges: leaf gap
Transmission & leakage
offset / shift equivalent / DLS
Preso da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
Tongue & groove
39
IMRT : MLC control
Beam ON
Leaf B
Tempo di beam ON (MU)
t4
x4A
t3
Punti di controllo delle
posizioni delle lamelle
ogni xx msec nella
DMLC.
t1
t0
Punto che definisce l'inizio di
un nuovo segmento e la fine
x3B
del segmento precedente
nella DMLC.
x3A
t2
x1B
x1A
x0A,B
x2A
(Fig. 6a)
x4B
Interpolazione lineare della traiettoria fatta dal
controller dell'MLC tra due segmenti contigui
nella DMLC
Punto che definisce l'inizio di un
nuovo segmento e la fine del
segmento precedente nella
DMLC.
Tempo di beam ON (MU)
Leaf A
Position leaf
tolerance
Traiettoria effettiva realizzata
dalle lamelle
Punto di controllo delle posizioni
delle lamelle ogni xx msec nella
DMLC.
Interpolazione lineare della traiettoria fatta dal controller dell'MLC
tra due segmenti contigui nella DMLC
x2B
Posizione lamelle lungo l'asse x del profilo (cm)
Position leaf
tolerance
(Fig. 6b)
Posizione lamelle lungo l'asse x del profilo (cm)
40
DMLC - IMRT : leaf speed and MUtot values
40
30
Vcrt = 0.3cm/MU
20
Vmax = 1.2cm/MU
10
50
Intensità (MU)
Intensità (MU)
Vmax = 0.2cm/MU
Vcrt = 0.1cm/MU
50
40
30
20
10
Vcrt = 2cm/MU
1
(Fig. 7a)
2
3
4
5
6
7
Asse x del profilo (cm)
8
9
10
1
(Fig. 7b)
2
3
4
5
6
7
8
9
Asse x del profilo (cm)
41
10
Aspetti fisici della IMRT
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 Vmcc (cm/s) definita all’isocentro, tipicamente pari a 2 - 2.5cm/s,
la velocità critica Vcrt (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 Vmax (cm/MU), definita come il rapporto tra Vmcc ed il rep-rate Rf (MU/s) erogato
dall’acceleratore, e la velocità di modulazione Vmod:
max
V
V mod (cm / MU ) =
max ΔI ( x )
(1 ± V ⋅
)
Δx
42
Splitting large IM fields
Nasopharynx PA field – leaf pair 18
Prese da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
43
IMRT: Skin flash
Prese da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
44
IMRT: heterogeneity correction
4Field Head&Neck treatment with 6MV photons
Small beams & IMRT
Prese da un corso del 2003 sull’IMRT del MSKCC
45
Modalità di verifica e QA per i
trattamenti IMRT ed IMAT
Pre-treatment dosimetry procedure
R&VS
TPS
LINAC
Absolute dosimetry:
± 3%
Relative dosimetry: ±
3mm
47
QA tests for the DMLC system # 1
Dynamic check: position accuracy
and round-ends leaves effect
Static Check: optical measure of
dosimetric leaves separation
48
QA tests for DMLC system # 2
Stability of leaves speed
Sistemi di immobilizzazione ed
utilizzo del Portal Vision
H&N immobilization
Future IMRT treatments
First IMRT treatments
Actual IMRT treatments
51
H&N: the shoulder problem # 1
CT # 1
CT # 1
CT # 2
CT # 2
52
H&N: the shoulder problem # 2
CT slices # 1
1
2
3
4
CT slices # 2
1
2
3
4
53
Estimating set-up error
Identification of bony
landmarks on
simul/therapy images
Δx
Matching of bony
landmarks (manual
methods; automatic
methods)
Δy
Δθ
Δy
Δθ
By Claudio Fiorino, ISE course 2003, Torino
Δx
54
Reducing uncertainties: Set-up correction
procedures
random
On-line correction
- each fraction (EPID)
- computer-controlled couches
systematic
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
4
2
2
0
0
-2
-2
-4
-4
-2
0
2
4
-4
Systematic+random
By Claudio Fiorino, ISE course 2003, Torino
-4
-2
0
2
Random
4
Scatter plot of RE plan set-up deviation
P rosta te se t-up da ta dispe rsion ( # 8 pa tie nts)
P rosta te se t-up da ta dispe rsion ( # 8 pa tie nts)
1.00
1.00
0.80
Gantry 0°
0.80
0.40
0.20
-0.80
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
-0.20
Prostate:
pro
Σ = 0.32 cm
pro
σ = 0.30 cm
-0.40
Cranio - caudal direction (cm)
Cranio - caudal directions (cm)
0.60
-1.00
0.40
0.20
-1.00
-0.80
-0.60
-0.40
1.00
1.00
0.80
0.80
Gantry 0°
Gantry 270°
0.60
0.40
0.20
0.20
-0.40
0.40
0.60
0.80
1.00
Head & Neck:
h&n
Σ = 0.31 cm
h&n
σ = 0.25 cm
Cranio - caudal direction (cm)
0.60
Cranio - caudal direction (cm)
0.80
He a d & ne ck se t-up da ta dispe rsion ( # 7 pa tie nts )
1.00
0.00
-0.20
0.00
-0.20
0.60
-1.00
A ntero - pos terior direc tion (c m)
He a d & ne ck se t-up da ta dispe rsion ( # 7 pa tie nts )
-0.40
0.40
-0.80
-1.00
Latero - lateral direc tion (c m)
-0.60
0.20
-0.60
-0.80
-0.80
0.00
-0.20
0.00
-0.20
-0.40
-0.60
-1.00
Gantry 270°
0.60
0.40
0.20
-1.00
-0.80
-0.60
-0.40
0.00
-0.20
0.00
-0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
-0.40
-0.60
-0.60
-0.80
-0.80
-1.00
Latero - lateral direc tion (c m)
0.20
-1.00
A ntero - pos terior direc tion (c m)
56
L’utilizzo di marker interni per la verifica del
posizionamento
Preso dal CD della MedTech
57
Acceleratori & KV Cone Beam CT
Preso dalle pagine Internet delle ditte Varian ed Elekta
58
Acceleratori & KV Cone Beam CT
Preso da una presentazione in rete sulle pagine Internet della ditta Varian
59
4D Radiation Therapy Delivery
Tracking “4-D” IMRT
“Varian On-Board Imaging”
Medical College
of Virginia
Conventional IMRT
Tracking IMRT
“Dynamic targeting” or “Image-guided Motion Management
60