UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI GENOVA
Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
Anno Accademico 2001/2002
Brachiterapia interstiziale con I-125:
misure sperimentali e simulazione MonteCarlo
Candidata: Susanna Guatelli
Relatori interni:
Prof. P. Corvisiero
Dr. M. G. Pia
Relatore esterno:
Dr. G. Ghiso
Correlatore:
Prof. S. Squarcia
Fa uso di sorgenti radioattive per depositare dosi
terapeutiche vicino al tumore, preservando i tessuti sani
Brachiterapia
Tecnica di radioterapia oncologica
Brachiterapia interstiziale
prostata
I-125
Brachiterapia endocavitaria
Brachiterapia superficiale
utero, vagina, polmoni
pelle
Applicatore Leipzig
Ir-192
5.0 mm
0.6 mm
3.5 mm
3 mm steel cable
Active Ir-192 Core
1.1 mm
Ir-192
Radioterapia
Dose
D = dE / dm
[D] = Gray = J / kg
Protocolli
Dato l’impatto degli studi fisico-medici nella pratica clinica,
è importante definire procedure per garantire uniformità
nella pratica sperimentale condotta da gruppi di ricerca diversi
Protocollo
Task Group 43
American Association of Physicists in Medicine (AAPM)
Scopo: stabilire un protocollo di dosimetria
per lo studio delle sorgenti brachiterapiche interstiziali
Stabilisce procedure di calibrazione per ogni tipo di sorgente
Stabilisce il formalismo per esprimere la dose rilasciata da una sorgente
Fornisce i valori di riferimento per i parametri definiti
Obiettivi del trattamento terapeutico
Dose terapeutica: 145 Gy
Rilascio di dose uniforme alla prostata
Preservare retto e uretra
 precisione
Sistemi dosimetrici
Calcolo della dose rilasciata ai
tessuti interessati dal
trattamento radioterapico
 accurata riproduzione della configurazione reale (da TAC)
 velocità di calcolo
 facilità di configurazione e di uso ospedaliero
Sistemi commerciali in uso
es.: Variseed V 7, Prowes
I tessuti sono tutti approssimati ad acqua
Metodi analitici di calcolo
Analisi critica
Vantaggio: velocità di calcolo
Svantaggio: calcolo poco accurato
e insensibile alle variazioni di densità
Obiettivi della tesi
Realizzazione di un sistema dosimetrico per brachiterapia
Calcolo della distribuzione 3-dimensionale di dose nei tessuti
Determinazione delle curve di isodose
simulazione
analisi
Precisione
Basato su metodo Monte Carlo
Interazioni fisiche descritte in modo accurato
Validazione sperimentale della fisica coinvolta
Accurata riproduzione
della configurazione reale
Realistica descrizione di geometrie e tessuti
Possibilità di interfaccia alla TAC
Facilità di configurazione
e di uso ospedaliero
Visualizzazione grafica + Interfaccia utente
Elaborazione di distribuzioni di dose, isodosi
Velocità di calcolo
Parallelizzazione
Accesso a risorse di calcolo distribuito
Requisiti ulteriori
Estensibile a nuove funzionalità
Accessibile pubblicamente
Piano della tesi
Progettazione e sviluppo
del sistema dosimetrico
funzionalità
architettura
metodi avanzati di software
Validazione
del sistema dosimetrico
validazione microscopica della simulazione
validazione dosimetrica
misure sperimentali
estensione ad un sistema generale di test
Applicazioni brachiterapiche
calcolo delle distribuzioni di dose
elaborazione delle curve di isodose
in diverse tecniche radioterapiche
Valutazione critica dei risultati e prospettive future
Trasferimento tecnologico
Didattica
Architettura e funzionalità del sistema dosimetrico
run
spettro primario
fisica
deposito di
energia
rivelatore
analisi
visualizzazione
geometria
dosimetrica
geometria e materiali
evento
Interfaccia utente
Metodi avanzati di software utilizzati nella tesi
Processo di software
Controllo di tutte le attività, i prodotti e le fasi
di sviluppo del sistema di software
Modello bi-dimensionale di processo
statico + dinamico
USDP
 Modello iterativo-incrementale
 Centrato sull’architettura
 Pilotato dai casi d’uso
 Mappato su ISO 15504
Tecnologia Orientata agli Oggetti
Analisi e Design: UML
Programmazione: C++ e Python
Collaborazione internazionale
di oltre 100 scienziati
Simulazione del passaggio di particelle
nella materia
 fisica delle alte energie e nucleare
 fisica medica
 astrofisica e scienze dello spazio, ecc.
Funzionalità in ogni dominio
Uso di strumenti avanzati di
Scienza del Software e metodologia OO
 flessibilità
 apertura alle evoluzioni
 trasparenza
AIDA
Analisi Dati
Istogrammi
Ntuple
Funzioni
Vettori di dati
Fit
Visualizzazione
Abstract Interfaces
for Data Analysis
Interfacce
astratte
+
Lizard
 Compatibile con AIDA
 Tecnologia OO
 Sviluppato in ambito LHC
Architettura
a componenti
 Strumento di analisi interattiva
 Tecnologia OO
Possibilità di usare
 Basato su linguaggio Python
e integrare sistemi
concreti diversi
Processo di validazione della simulazione MonteCarlo
Validazione microscopica
Test di processi elettromagnetici
di Geant4 per elettroni
Simulazione del CSDA range per e- in diversi materiali
CSDA range
T0
Valutazione di diversi modelli fisici (Standard/Low Energy)
1
R (T 0)   dE / dx tot
dE
Confronto con dati di riferimento (Report ICRU 37)
0
Altre validazioni microscopiche: v. tesi M. Tropeano, 2001
Validazione dosimetrica

D( r, )  S k   
Sk= intensità del kerma in aria della sorgente
g ( r ) Distribuzione
r 2 di dose
= costante di gradiente di dose
G(r,) = fattore geometrico
g(r) = funzione radiale di dose
F(r,) = funzione di anisotropia
Confronto con i dati del protocollo vigente
Altre validazioni dosimetriche: v. tesi M. Tropeano, 2001

G ( r , )
G ( r 0, 0 )
 g(r)  F (r, )
Test: CSDA range per eRange = distanza tra punto finale della
traccia e punto di origine di e-
OO design e sviluppo di
un’applicazione di simulazione
+ relativa analisi
Berillio
Riproduzione della
configurazione di ICRU 37
(solo perdita di energia, nessuna
produzione di secondari)
Ottimizzazione
di parametri della simulazione
soglia di produzione di particelle
secondarie: 1 m
no scattering multiplo
no fluttuazioni di perdita di energia
step fissato
Valutazione
di processi fisici per e-, e+, g
selezione di package di Geant4
Risultati dei test del
range di elettroni
 (T0 ) 
range protocol  rangesimul
range protocol
 100
Materiali
Berillio
elementi,
andamento con Z
di interesse
fisico-medico
Berillio
Alluminio
Oro
Piombo
Uranio
Acqua
Tessuto molle
Muscolo
Osso
I packages Geant4
Low Energy / Standard simulano i
range con buona accuratezza (~ %)
Estensione ad uno strumento generale di test
Obiettivo: sistema per test statistico
Prototipo
– necessario a sviluppatori di Geant4
– utile ad utenti di Geant4 (es.: per test beam)
– interesse di LCG (computing comune di LHC)
test di regressione
test di unità
test di sistema
test di accettazione
Sviluppato per le validazioni nell’ambito di questa tesi
Concepito per studiare la fattibilità di un progetto più ambizioso
– approfondimento dei requisiti da soddisfare
– mitigazione dei rischi connessi alla scelta tecnologica di base
Esempio:
caricamento
automatico di dati
di riferimento da
web, esecuzione di
plot, confronto etc.
Validazione dosimetrica
Modello geometrico
Generazione dei
fotoni primari
Ottimizzazione fisica
Ottimizzazione di
uso di CPU
Bebig Isoseed I-125 al centro del fantoccio
Struttura della sorgente
In un punto casuale del radionuclide, con direzione casuale
Spettro energetico del decadimento
Soglia di produzione di secondari = 100 mm
Processi elettromagnetici per e+, e-, fotoni
Distinzione fra geometria di tracciamento
e di calcolo dosimetrico (voxels = 1 mm3)
E (keV)
Prob.
27.4
0.784
31.4
0.17
35.5
0.046
Istogramma 2D con l’energia depositata
nel piano contenente la sorgente
elaborazione di analisi
dose
Risultati della validazione dosimetrica
I risultati della simulazione
NON sono in accordo
con i dati del protocollo
simulazione
TG43
mm
La distribuzione di dose è stata misurata in plexiglass
con dosimetri a termoluminescenza LiF 100
C. Tsao et al., Med. Phys. 5, 1990
K.A. Weaver et al., Med. Phys. 16, 1989
R. Nath et al., Med. Phys. 17, 1990
Dati del protocollo
 ampio range di utilizzo
 risoluzione spaziale bassa (~ 1 mm)
 delicata calibrazione
Confronto con simulazioni MonteCarlo in plexiglass
Morse Code, EGS4, MC ITS
g(r) è stata elaborata analiticamente
dalle misure sperimentali
Misure critiche per la metodologia
di uso dei dosimetri a termoluminescenza
misura indiretta
Si è eseguita una misura sperimentale della
distribuzione di dose con l’uso di pellicole radiografiche
misura diretta
misure in acqua
migliore risoluzione spaziale (~ 0.5 mm)
svantaggio: range più ridotto di utilizzo (curva sensitometrica)
Metodologia di misura
d = 3.1+/- 0.2 mm
fantoccio di acqua
Ottimizzazione della precisione di misura
secondo la distanza dalla sorgente
4 misure di una singola sorgente, di diversa durata (2, 9 , 12, 30’)
La pellicola è stata sviluppata
E’ stato tradotto in numero il tono di grigio lungo la retta
pellicola
Kodak XOMAT V
(perpendicolare all’asse maggiore del seme)
Scanner EPSON EXPRESSION
+ software Osiris 3.5.3
Correlazione grigio-distanza
Controllo delle
condizioni
sperimentali
 Controllo della sviluppatrice
 Misure raccolte nello stesso giorno
 Sistema di misura calibrato
Metodologia di misura
La dose rilasciata è direttamente
propozionale al tempo di esposizione
+
Il valore numerico associato al tono di grigio
è correlato al tempo di esposizione
serie di 4 misure
misure significative: d > 8 mm
La distribuzione di dose è
ricavata applicando
la curva di calibrazione sui dati
relazione grigio - dose
Curva di calibrazione
I risultati delle misure
sperimentali
misure
sperimentali
sono in disaccordo con
i dati del protocollo
sono concordi con
la simulazione MonteCarlo
protocollo
Conseguenze
L’impatto dei risultati di
questa tesi sull’attività clinica
è estremamente rilevante
Sono previsti pertanto
ulteriori approfondimenti
Generalizzazione del sistema dosimetrico
Funzionalità
 Distribuzione di dose in 3 dimensioni
 Curve di isodose
 Scelta dei materiali del fantoccio
 Visualizzazione grafica
 Interfacciabile con la TAC
 Configurazione della sorgente
Abstract Factory
geometria, materiali, spettro
Generalità +
specificità delle sorgenti
Software completamente in termini di classi astratte
Definizione delle sorgenti radioattive mediante un
design pattern creazionale: Abstract Factory
Interfaccia alla TAC
Geometria mediante volumi parametrizzati
Funzione di parametrizzazione: materiale
Dosimetria
Simulazione: produce il deposito di energia
Analisi: produce le distribuzioni di doese
Risultati:
brachiterapia interstiziale
Sorgente Bebig Isoseed I-125
0.16 mGy =100%
curve di isodose
I risultati possono essere generalizzati al caso di più sorgenti
Risultati:
brachiterapia endocavitaria
Sorgente MicroSelectron-HDR
Risultati:
brachiterapia superficiale
Applicatore Leipzig
Parallelizzazione e calcolo distribuito
La velocità è un requisito fondamentale
per il software nella pratica clinica
La simulazione MonteCarlo di fatto
non è mai stata usata in ambito
clinico per i tempi di calcolo proibitivi
Parallelizzazione
Accesso a risorse di
computing distribuito
prototipo per sistema intermedio tra
applicazioni e componenti GRID
Risultati preliminari:
fattore ~30 di velocità
(conferenza Siena 2002)
v. Tesi di A. Mantero
Possibilità di eseguire la
simulazione + analisi via web?
Trasferimento tecnologico
Particle physics
software aids space
and medicine
Geant4 is a showcase example of
technology transfer from particle
physics to other fields such as
space and medical science […].
CERN Courier, June 2002
Tesi
Didattica
Geant4 è un toolkit di simulazione
molto potente, ma anche molto
complesso
La collaborazione Geant4
ha sviluppato un programma didattico
di introduzione al toolkit
L’applicazione di brachiterapia è
alla base di un percorso didattico
per l’apprendimento delle componenti di una simulazione + analisi dati
Scuola Nazionale di Geant4, Università di Salamanca - luglio 2002
http://www.ge.infn.it/geant4/events/salamanca.html
Conclusioni
Sistema dosimetrico
Validazione
Collaborazione con
 Calcolo di dose in 3 dimensioni
Accurata simulazione di processi fisici
 Configurazione sperimentale realistica
 Interfacciabile alla TAC
 Applicabile a tutte le tecniche brachiterapiche
 Estensibile
 Compatibile con GRID
Nuovo e originale
 Simulazione e misure sperimentali in accordo
 Discordanza rispetto al protocollo
 Unità Operativa di Fisica Sanitaria, Savona
 IT Division, CERN
 Collaborazione Geant4
 Gruppo Anaphe
Valido esempio di collaborazione multidisciplinare fra ambienti diversi,
il mondo ospedaliero e il mondo della fisica delle alte energie
Valutazione degli errori
Curva sensitometrica
Errore di definizione
dei valori
Valutazione dell’errore
del sistema di misura
L’errore valutato precedentemente è
stato applicato alle curve utilizzate
per dedurre la funzione di calibrazione
Valutazione dell’errore
della distribuzione di dose
Propagazione degli errori dalla funzione fit
della curva di calibrazione