IMRT con filtros moduladores

Transcripción

1 IMRT con filtros moduladores Córdoba, 13 de junio de 2013 Dr. Darío Esteban Sanz

2 Introducción Radioterapia de intensidad modulada (IMRT) Radioterapia inversa. Optimización Dispensa de la radiación Controles de calidad Filtros compensadores metálicos. Pro y cons. Formas de fabricación Aspectos dosimétricos Rango de intensidades Radiación dispersa y dosis periférica Contaminación electrónica Endurecimiento del haz Conclusiones

3 Radioterapia de intensidad modulada Dispensa de fluencia energética variable en la sección de los haces que se combinan para lograr objetivos específicos La fluencia variable se logra con: Variación del tiempo (UM) de exposición de cada punto dentro del haz (MLC, colimadores binarios de tomoterapia) Variación del tiempo (UM) de exposición de cada punto dentro del volumen irradiado (IMAT) Haces de barrido Interposición de un dado espesor de material (filtros moduladores físicos)

4 IMRT. Planteo dosimétrico Mapa de fluencia = i D k ak, i x i Beamlet i (variable) PTV Voxel k a k,i OAR Función objetivo (resultado) f=f (D) D={D k }: vector dosis ( ) x={x i }: vector peso de beamlets ( ) A={a k,i }: matriz de influencia ( ) D=D(x)

5 IMRT. Optimización Minimizar y x Ω f ( x), con f: Función objetivo o de costo x: Variable de decisión (peso beamlets) Ω: Espacio de restricciones (conjunto factible o hard constraints ) f : R n R Ω = { } n q, p x : h( x) = 0, g( x) 0, con h, g : R R Teorema de Karush-Kuhn-Tucker

6 IMRT. Función objetivo sencilla f f Ω = = k, i { x : x 0} + ( D ( D D k f PTV OAR = p 1 = N 1 = N i PTV a PTV OAR i f k PTV k OAR x PTV i Penalidades p OAR prescr toler f OAR D D k k ) ) 2 2 H( D H( D k prescr D toler D ) k )

7 Optimización. Métodos Estocásticos y de búsqueda directa Determinísticos (gradiente) Simulated annealing Algoritmos genéticos Steepest descent Gradiente conjugado Newton Ω Ω

8 IMRT. Dispensa con filtros moduladores Ventajas Mejor promediado temporal ante movimiento de órganos Programa de garantía de calidad más simple Modelado dosimétrico más sencillo Mayor eficiencia Dosis-MU Otras ventajas: Imágenes portales con filtro interpuesto, permite variaciones suaves en la intensidad, menor costo inicial Desventajas Generación de haces no automática: Mayores riesgos Sólo permite realizar cambios inter-tratamiento Menor flujo máximo de pacientes/equipo Otras desventajas: Manipulación de objetos pesados, activación neutrónica en caso de modos >10 MV (?)

9 Verificación portal con filtros interpuesto

10 IMRT. Dispensa con filtros moduladores Ventajas Mejor promediado temporal ante movimiento de órganos Programa de garantía de calidad más simple Modelado dosimétrico más sencillo Mayor eficiencia Dosis-MU Otras ventajas: Imágenes portales con filtro interpuesto, permite variaciones suaves en la intensidad, menor costo inicial Desventajas Generación de haces no automática con impacto negativo en procedimientos de QA Sólo permite realizar cambios inter-tratamiento. Menor flujo máximo de pacientes/equipo Otras desventajas: Manipulación de objetos pesados, activación neutrónica en caso de modos >10 MV (?)

11 Fabricación de filtros moduladores Mecanizado con fresa de control numérico Armado manual (Ellis ) Con molde de poliestireno mecanizado y posterior colado/llenado Método de capas FUESMEN-CNEA

12 Aspectos dosimétricos. Intensidades Rango de intensidades (performance) I : [,1] µ T e La dosis debajo de la corona es: D corona f IMRT e µ T T En FUESMEN Transmisión de la corona: 3.5% (7.2 cm de Cerrobend) f IMRT = D Corona

13 Aspectos dosimétricos. Intensidades

14 Radiación dispersa. Dosis periférica Modelo de dispersión única y de ángulo pequeño Blanco Ψ P = Ψ 0 2 DFF e µ DFP T θ 0 T<< DFF, DFP A: Area del filtro irradiada T Ψ 0 Ψ P θ Ψ S P x T-x DFF DFP Ψ Ψ S P Σ S Ψ Ψ S S = Ψ 0 = Ψ 0 Σ S Σ N 0 Av ρ Z r 0 A 2 ( θ ) = r = 0 ln 1 DFP DFF 2 ( ) Area e µ x e µ ( T x θ 0 ) dx 1 DFP DFF T S ( θ 0) Area T e Area = DFF DFP 2 2 ( Att) AreaP Z 2 ( DFP DFF ) σtot Area P T 2 ln = T 0 µ ( Att) ln( Att) A = µ ρ σ N Av Tot

15 Radiación dispersa. Dosis periférica Comportamiento de Z /σ Total Para modos 6 MV y para una dada performance el material no es crítico Z σtot Sección eficaz total σ Total /átomo (barn) Al, Z= 13 Sn, Z= 50 Pb, Z= E (MeV) Dispersión relativa Z/σ Total (barn -1 ) Al, Z= Sn, Z= 50 8 Pb, Z= Fot Compton Co 60!! 6 MV E (MeV) C. pares 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Dispersión respecto de Pb Al, Z= 13 Sn, Z= 50 Pb, Z= E (MeV)

16 Dosis periférica Dosis periférica en agua. MLC (sliding window y filtro modulador de cerrobend). DFS=100 cm, d=5 cm, 6 MV 10, Dosis periferia relativa (%) 1,0 0,1 1 Distancia al borde de campo (cm) Datos MLC: D S Sharma (2006) 0,0 MLC ventana 0,5 cm (UMx14) 1,0 cm (UMx9) 2,0 cm (UMx5) Filtro 14x14 cm2 (UMx2) Filtro 20x20 cm2 (UMx2) RT 3D (UMx1) Contribución a la dosis periférica: Fugas Dispersión en el filtro modulador Paciente

17 Contaminación electrónica En haces de 6 MV los filtros moduladores disminuyen la dosis por contaminación electrónica, respecto de la de haces abiertos Posición (mm) >Dosis dmax, open dmax 10 Dosis relativa (%) dmax, filtro modulador Skin, open Skin, filtro modulador DFS=100 cm <Dosis TC=200x200 mm 2 1

18 Factores de transmisión y endurecimiento Transm ( + C T + C r + C Area ) T µ 0 = e Transmisión relativa Factor de transmisión off-axis 1,02 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0,88 0,86 0 mm Distancia al centro de campo (mm) La transmisión aumenta con el TC y con el espesor del filtro (i.e. volumen) debido al aumento de la radiación dispersa Transmisión, corrección por TC campo Factores de transmisión. Efecto del tamaño de campo. 6 MV, DFS=90 cm, d=10 cm, CAX 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, x 100 mm2 40 x x x Espesor de cerrobend (mm) Para puntos off-axis el espectro incidente influye mucho más que el espesor oblicuo

19 Endurecimiento. Rendimiento en profundidad El endurecimiento producido por el filtro introduce cambios significativos en la función PDD, especialmente en su dependencia con la profundidad Si el TPS no considera el cambio en la capacidad de penetración, los factores de transmisión deben ser determinados a d=10 cm PDDopen - PDDfiltro (%) cm 20 Cambio de la función PDD para diversos espesores de filtro de cerrobend interpuesto. Profundidades 10 y 20 cm (6 MV, DFS=100 cm, TC=10x10 cm) Espesor filtro (mm) Y Mejaddem et al (2000)

20 Filtros moduladores en IMRT: Conclusiones El uso de filtros moduladores para IMRT se adecúa a las exigencias de los programas de garantía de calidad vigentes Los filtros moduladores producen una dosis periférica moderada en tanto su distancia al paciente sea > 40 cm y el área del campo asociado sea <400 cm 2. No son determinantes el número atómico ni la densidad másica, en tanto Z 50 La contaminación electrónica y la dosis periférica deberían ser evaluadas como parte del proceso de puesta en servicio No se recomienda su uso para modos > 10 MV (mayor activación que en RT 3D) Los filtros moduladores producen cambios en las componentes del haz del acelerador (focal y extrafocal), sin que ello signifique un detrimento dosimétrico

21 Bibliografía D S Sharma et al. Peripheral dose from uniform dynamic multileaf collimation fields: implications for sliding window intensity-modulated Radiotherapy. BJR. 79. (2006) Y Mejaddem et al. Photon scatter in intensity modulating filters evaluated by first Compton scatter and Monte Carlo calculations and experiments in broad beams Phys. Med. Biol. 45 (2000) S X Chang et al. Compensators: An alternative IMRT delivery technique JOURNAL OF APPLIED CLINICAL MEDICAL PHYSICS, VOL. 5, NO. 3, SUMMER (2004) 15-36

22 Muchas gracias!!