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Aspetti fisici della radioterapia moderna - II: Treatment planning, IMRT, protoni - PowerPoint PPT Presentation


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Agenzia Provinciale per la Protonterapia Trento, Italy. Aspetti fisici della radioterapia moderna - II: Treatment planning, IMRT, protoni. Marco Schwarz schwarz@atrep.it. 23 Settembre 2010. Treatment Planning in 3D CRT. 3D CRT. Target defined in soft tissues on CT images

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Presentation Transcript
Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

Agenzia Provinciale per la Protonterapia

Trento, Italy

Aspetti fisici della radioterapia moderna - II:

Treatment planning, IMRT, protoni

Marco Schwarz

schwarz@atrep.it

23 Settembre 2010



3d crt
3D CRT

  • Target defined in soft tissues on CT images

  • Higher target/OAR doses than in 2D CRT

  • 3D Treatment planning

  • Safety margins must be considered while designing treatment field

  • ICRU 50(1993) and ICRU 62(1999) set the standard for dose planning and dose reporting reference volumes.


Ptv concept pros
PTV concept: pros

  • Forced people to explicitely incorporate geometrical uncertainties into treatment planning

  • Very appropriate tool for CRT: not too simple, not too complex.

CTV = Clinical Target Volume (visible + microscopic disease)

PTV = Planning Target Volume


Margin recipes
‘Margin recipes’

Analytical solution for spherical targets (van Herk 2000)

Derived/verified with simulations for real cases (e.g. Stroom 1999, Van Herk 2002) as a function of population-based data on geometrical uncertainties


Different recipes according to the desired probability level
Different 'recipes'according to the desired probability level

PTV planning= same dose

prescription for all points

above a given probability of

presence for target cell


Ptv cons
PTV: cons

  • Use of accurately defined margins still quite rare

  • Dose homogeneity in the PTV became a must more for technical than for clinical reasons

  • N.B. IGRT mostly aims at reducing PTV margins without radically changing PTV-based RT techniques

  • Most important: the PTV concept works only if three assumptions are valid:


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

PTV - playing by the rules

The PTV is a tool for dose planning and dose reporting. There are three underlying assumptions:

1. The dose distribution is invariant for (small) translations and rotations

2. The margins are chosen appropriately as a function of the geometrical uncertainties one wants to compensate for

3. The dose distribution in the PTV is as homogeneous as possible.

Condition1 is granted using photons, 2 and 3 must be ensured using correct planning practices.


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

CTV

OAR

+

=

PTV expansion

?

CTV

OAR

As if one should prefer

homogeneous doses in the wrong PTV instead of

heterogenous doses in the right PTV



Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

More degrees

of freedom

More need

to know

what you want

CRT

IMRT



Still struggling with tp in imrt
Still struggling with TP in IMRT

Inst.1

Inst. 2

Inst. 3

Inst. 4

Inst. 5

Adapted from Das et al, JNCI 2007


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

  • In IMRT si hanno molti più gradi di libertà che in CRT, troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

  • Gli scopi del trattamento devono essere espressi in un linguaggio comprensibile tanto dall’uomo quanto dalla macchina

    L’ottimizzazione in IMRT è la gestione via macchina di una serie di obiettivi intrinsecamente in contraddizione.


Funzione di costo
Funzione di costo troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

  • Traduzione quantitativa delle caratteristiche del piano di trattamento in termini di

    • Obiettivi di dose (e.g. Dmin, Dmax)

    • Intenti del trattamento (e.g. controllare la dose vs. massimizzarla/minimizzarla)

    • Trattamenti precedenti

    • Informazioni biologico/funzionali

    • Informazioni geometriche (e.g. errori di set-up)

    • Parametri di erogazione


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

The objective cost function troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

1. Evaluator

Quantifies a relevant

feature of the plan

2. Modifier

A function f of the difference between the actual (E) and the desired (E0) value of the evaluator

Dmean

Dmin/Dmax

DVHpoint

# segments

treatment time

plan robustness


3 step imrt treatment planning
3-step IMRT treatment planning troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

1. Fluence optimization

Cost function minimization

Up to 10^4 ‘beamlets’

Dose calc: fast but not very accurate

2. Segmentation

Mechanical and dosimetrical MLC parameters are included

Deterioration of the dose distribution

3. Final dose calculation

No reoptimization

Dose calculations: slower, but more accurate than in step 1.


Aperture based treatment planning
Aperture based treatment planning troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

1. Initial fluence optimization

2. Initial Segmentation

3. Tuning of a deliverable plan

Taking benefit of degeneracy

--> More efficient delivery

Less computational burden =

Possibility of using accurate dose algorithms


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

What do we talk about when we talk about troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

?

Patient specific QA


Don t forget the big picture
Don’t forget the big picture troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

Huq et al, IJROBP 2008 71(1) Supp.


2 d dosimetry gamma analysis
2-D dosimetry + gamma analysis troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

What is patient specific in this approach? The beam setting

Which aspect of the treatment chain is evaluated? The head model

In most cases, field by field analysis

Some techniques require whole treatment verification (e.g. VMAT)


Monte carlo dose calculation t bingen
Monte Carlo dose calculation (Tübingen) troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

Main advantages

1)It solves the main dosimetric problem of IMRT dose calculation algorithms (source model)

2)Combined with hardware QA, it allows to come back to separate hw e sw QA, as in CRT


In vivo dosimetry nki

Planning CT troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

(3D)

EPID treatment image

(2D)

Planning dose

(3D)

EPID portal dose

(2D imager plane)

select mid-plane slice

back-projection

Planning dose

(2D patient mid-plane)

EPID dose

(2D patient mid-plane)

-evaluation

In-vivo dosimetry(NKI)

separate fields, 2D

Courtesy B. Mijnheer


Dose based corrections protocols
Dose-based corrections protocols? troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

Planning CT +

Planned dose

CBCT +

In vivo dosimetry

Gamma analysis:

dose errors

Vs

anatomy changes

McDermott, R&O2008


Delivery
Delivery troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.


Delivery1
Delivery troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.


Tecniche ad arco perch
Tecniche ad arco. Perché? troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

  • Aumento numero di campi >> aumento gradi di libertà

  • Migliore conformazione della dose

  • In caso di target concavi migliore risparmio degli OAR

  • Erogazione più veloce e riduzione movimenti intra-fraction

  • Molti parlano inoltre di migliore efficienza e riduzione MU, ma l’affermazione è discutibile

From De Neve, in “Image-guided IMRT”, Springer Ed. 2007


Time efficiency
Time/efficiency troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.


Treatment complexity vs monitor unit
Treatment complexity vs monitor unit troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

s=1-Dmax/Dpresc

Bakai et al, PMB 2003


2 step imrt treatment planning
2-step IMRT treatment planning troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

1. Fluence optimization

Cost function minimization

Up to 10^4 ‘beamlets’

Dose calc: fast but not very accurate

2. Segmentation

Mechanical and dosimetrical MLC parameters are included

Deterioration of the dose distribution

3. Final dose calculation

No reoptimization

Dose calculations: slower, but more accurate than in step 1.


Aperture based treatment planning1
Aperture based treatment planning troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

1. Initial fluence optimization

2. Initial Segmentation

3. Tuning of a deliverable plan

Taking benefit of degeneracy

--> More efficient delivery

Less computational burden =

Possibility of using accurate dose algorithms


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

Cone Beam troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

Dose erogata in una singola/multipla rotazione del gantry

Durante la rotazione la fluenza è modulata:

- Variazione forma del campo(movimento lamelle MLC)

- Variazione dei pesi dei campi (variazione di intensità)

Fan Beam

Dose erogata grazie ad un fan beam che ruota continuamente in concomitanza alla traslazione del lettino

Durante la rotazione la fluenza è modulata:

- Variazione forma del campo

- Variazione dei pesi dei beamlets

Tomoterapia seriale/elicoidale

Tecniche Conformal Arc, AMOA, IMAT, VMAT


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

IMRT (Angoli fissi) troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

IMAT (Archi multipli)

VMAT Single arc


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

Tomoterapia troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

Il gantry ruota per 360° creando 51 proiezioni

Modulazione ottenuta variando il tempo di On/Off per ogni lamella

Velocità di rotazione del gantry e tempo di trattamento dipendono da:

dose di prescrizione, lunghezza target, dose rate


Single few arc s vs tomo
Single/Few Arc(s) vs TOMO troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

Prostata troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

HT e IMAT: distribuzioni comparabili; IMAT: erogazione più veloce IMAT: riduzione dose integrale

Canale Anale

HT: migliore qualità piani; migliore copertura e omogeneità target; migliore risparmio genitali

H&N

HT: migliore qualità piani gradiente di dose più elevati

Solid line: IMAT


Interplay effects
Interplay effects troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

Bortfeld et al, PMB 2002

Could we solve it by adding a margin ?

No

(Not completely)

Is it that bad ?

It depends


Intrafraction interplay effects
Intrafraction (‘interplay’) effects troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

1fr

30 fr

1fr

30 fr

sw

s&s10

s&s20

Jiang et al, PMB 2003


New treatment modalities
New treatment modalities troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

Heavier ions(?) troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

HDR

'Conventional' XRT

Tomotherapy IMXT

Tomorrow's ideas

'Conventional' p+

Radiation delivery technologies


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

IMPT troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

3DCRT

TOMO

Gy

%

0% Dose

35%Dose

10% Dose

Where would we like to use p+ ?

In principle, for all patients

In practice, whenever dose sparing at all dose levels could make the difference


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

The Bragg peak troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

Protons vs photons – Version 2 troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

0.5 troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

0.2

0.5

1.0

0.5

1.0

0.2

1.0

0.2

0.4

1.0

0.4

1.0

1.0

1.0

0.5

0.2

Protons vs photons – version 3

Fotoni

Protoni


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

3D modulation troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

+

Steep dose fall off

=

More degrees of freedom

Protons vs photons – version 4

X

p+

+


Protoni vs fotoni caso pediatrico
Protoni vs. Fotoni – caso pediatrico troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

IMRT

IMPT

G. Fava - ATreP


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

IMRT troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

IMPT


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

IMRT troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

IMPT

Sezione assiale con aree di basse dosi


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

Dosimetric effects of geometrical uncertainties troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

No

errors

5mm

setup

5mm

setup

10 mm

respiration

10mm

setup

M. Engelsman - MGH


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

X rays troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

protons


Aspetti fisici della radioterapia moderna ii treatment planning imrt protoni

Our choices troppi per poter essere gestiti ‘a mano’.

PT center as the first module of a new public regional hospital

Emphasis on availability and clinical usability

No significant local development on PT technology

Delivery mode: PBS only

Interest in patient set up outside the treatment room

First treatments: first half of 2013(?)