Un piano di trattamento per fasci
di ioni carbonio: ottimizzazione
della dose efficace
V.Monaco1,2, A.Ansarinejad1,2, A.Attili1, F.Bourhaleb2, R.Cirio1,2,
M.Donetti3, A.Garella1, N.Givehchi1,2, S.Giordanengo1, F.Marchetto1,2,
J.Pardo1, A.Pecka2, C.Peroni1,2, I.Rinaldi2, G.Russo1,2, R.Sacchi1,2
(1) INFN, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, sezione di Torino
(2) Università degli Studi di Torino
(3) CNAO, Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica
XIV Convegno Nazionale S.I.R.R., Trieste 24-27 giugno 2008
Terapia con adroni
Fotoni
PSI
Protoni
Ioni carbonio
SOBP protoni
SOBP carbonio
Adroni:
Profilo longitudinale di dose con massimo
al picco di Bragg (posizione del picco
dipendente dall’energia iniziale).
Elevata selettività longitudinale.
12C
vs p:
• maggiore efficacia biologica relativa (RBE)
• minore dispersione laterale
(elevata selettività trasversale)
V.Monaco
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Terapia con
12C
(problematiche)
Frammentazione nucleare
attenuazione degli ioni primari e produzione di
frammenti;
il profilo di dose si estende oltre il picco di Bragg.
Vantaggio: produzione di nuclei radioattivi β+
(in-beam PET per monitoraggio dose)
Effetto biologico
D
RBE S = X
Dion
12C
S
La RBE dipende in modo non lineare dalla dose, dal LET,
dall’energia e dal tipo di particella, dal tessuto, etc.
Nella pianificazione del trattamento non è sufficente
ottimizzare la dose fisica.
E’ necessario ottimizzare l’effetto biologico.
V.Monaco
3He
20Ne
Y.Furusawa et al., Rad.Res. 154 (2000)
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Volume di trattamento suddiviso in voxel
e in sezioni in cui si localizzano i picchi di
Bragg per energie del fascio fissate.
Scansione ripetuta su ogni sezione.
Energie del fascio via via decrescenti fino
a coprire l’intera regione di trattamento.
a.u.]
.]
Dose [[a.u
Sistemi di scansione del fascio
Depth [0.01 mm]
V.Monaco
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Treatment Planning System (TPS)
CT, MRI, PET
Informazione 3D su
densità tessuti
volumi di trattamento (PTV)
Prescrizione dose
Modelli fisici di
interazione 12C-tessuti
(DB da simulazioni
Monte-Carlo)
TPS
(ottimizzazione dose/
effetto biologico)
Output:
l → indice fascio
Φl → fluenza
El → energia cinetica
θl → direzione
V.Monaco
Effetto
biologico
Output:
Curve iso-dose,
sopravvivenza,
DVH
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Effetto biologico
Sopravvivenza cellulare
S = N alive / N tot
ln( S ) = − N leth
Parametrizzazione lineare-quadratica
ln(S) = - α D - β D2
Per il TPS necessari tabelle di α e β per
diverse energie del fascio primario in
funzione della profondità e per diverse
linee cellulari.
da misure di sopravvivenza
WK Weyrather, G.Kraft, Radiother.Oncol. 73-2 (2004)
modello radiobiologico
V.Monaco
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Local Effect Model (LEM)
Raggi X
Ioni carbonio
M.Sholtz, G.Kraft, J.Adv.Space 18 (1996)
ASSUNZIONI E INPUT LEM:
Effetto biologico dovuto alla distribuzione di dose
dei singoli ioni nel nucleo.
• Distribuzione di dose locale d(r) di una
traccia (dipendente da Ek , LET, A)
• Dimensioni del nucleo
Effetto biologico della dose locale (a scala
nanometrica) indipendente dal tipo di radiazione
• Risposta cellulare a raggi-X (α
αX,β
βX)
OUTPUT:
V.Monaco
N leth = −ln( S ion ( D)) = αion ⋅ D + βion ⋅ D 2
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Esempio di calcolo LEM
Simulazione Geant4
ioni carbonio in H2O
E k(0) = 130 MeV/u
z = 42 mm
CHO
αX = 0.228 Gy-1
βX = 0.0185 Gy-2
RBES
Lista (Ek, LET, A, posizione)
particelle a profondità z
S ion = S
S ion ( D ) = exp( − αion ⋅ D − βion ⋅ D 2 )
V.Monaco
αion= 0.580 Gy-1
βion = 0.0083 Gy-2
RBE S =
DX
Dion
S
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Tabelle per TPS
α ion ( E k(0) , Req ) , β ion ( E k(0) , Req ) in acqua
E k(0) = 130 MeV/u
dose per unita' di fluenza D (o)  E k(0) , Req  in acqua


E k(0) = 130 MeV/u
− ln( S ) = α ⋅ D + β ⋅ D 2
V.Monaco
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Sopravvivenza con campi misti
S1+ 2 ≠ S1 ⋅ S 2
− ln( S1+ 2 ) = α D + β D 2
D = D1 + D2
Su N fasci sovrapposti
V.Monaco
(
β=
α D + α2 D2
α= 1 1
D1 + D2
β1 D1 + β2 D2
(D1 + D2 )2


− ln(S) =
αi Di + 

i
 i
∑
∑


βi Di 


)2
Verificato
con il LEM
2
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TPS - notazioni
Notazioni
ρi - densità voxel (da CT)
El - energia beam
Dil(0) - dose/fluenza beam l
su voxel i
αil, βil - parametrizzazioni LQ
Parametri liberi
Φl – fluenze beam
i - indice voxel
l - indice beam
V.Monaco
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Ray-tracing
Approssimazione lunghezza d’acqua equivalente
HU i (CT)
i
∑ d i'
i' =1
→ Ri-eq
Determinazione energia del beam l (picco di Bragg al centro del voxel).
tabelle
calcolate in acqua
Rl -eq ↔ E l
Determinazione dose/fluenza in ogni voxel
per beam l.
tabelle calcolate in acqua
(0)
Dil(0) = D (0) ( E l , Ri||-eq ) ⋅ D⊥
( E l , Ri⊥-eq )
V.Monaco
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Ottimizzazione biologica (esempio 1D)
Di =
∑
Φ l Dil(0)
(dose tot. su voxel i)
l
dipendente dai parametri liberi Φ l
Tabelle DB
α ion ( E (0) , Req ) , β ion ( E (0) , Req )
α il , β il


N ileth = −ln( S i ) = ∑ αil Φ l Dil(0) +  ∑ βil Φ l Dil(0) 


l
 l

2
Le fluenze Φl sono determinate in modo
tale la sopravvivenza sia quella richiesta.
Funzione obiettivo da minimizzare:
∑
i
V.Monaco

w i ⋅  N ileth − N (obj)
i


2
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Ottimizzazione biologica (1D)
Dbio = RBE S ⋅ D
V.Monaco
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Flusso di lavoro
Sviluppato prototipo con un insieme limitato
di tabelle nei DB.
Prototipo applicato su volumi semplici.
V.Monaco
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Esempio 3D
Matrice 5x5x5 in acqua
V.Monaco
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Esempio 3D
Ottimizzazione simultanea su 5 campi
V.Monaco
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Progetto TPS-INFN
Scopo: sviluppo di un sistema per piani di trattamento con fasci adronici in
collaborazione con partner commerciale.
Alcuni dei punti da sviluppare:
• Tecniche di ottimizzazione numerica
• Misure e modelli di frammentazione nucleare
• Misure e modelli radiobiologi
• Strumenti Monte-Carlo
• In-beam PET per monitoraggio dose
V.Monaco
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RISERVE
Validazione LEM (1)
Validazione LEM (2)
Validazione LEM (3)
Req(peak) vs Energy
Frammentazione