Algoritmos de optimización inversa y cálculo de la dosis

Departamento de Radioterapia

Guilherme Bulgraen dos Santos FÍSICO MÉDICO

29 de enero de 2018

Introducción

1. Evolución de los tratamientos en la radioterapia;

Introducción

1. Mejora en la distribución de la dosis; 1. Menor toxicidad para el paciente (necesidad de un sistema de

verificación de imágenes volumétricas); 2. Mejor control tumoral; 3. Posibilidad de hacer hipofraccionamientos;

I. Prescripción por DVH; II. Curvas de NCTP y TCP.

Introducción

1. Equipamientos básicos para las dosimetrías de puesta en marcha y verificaciones/validaciones de los planificadores son:

1. Cámaras de pequeño volumen; 2. Películas; 3. Electrómetro de alta precisión; 4. Cubas de agua para las medidas de perfiles y PDDs; 5. Sistema planar de verificación de la dosis (Detector

planar o volumétrico); 6. Verificaciones especificas para la técnica a ser

utilizada; 7. Sistema secundario de la verificación de las Ums; 8. Auditoria externa.

Introducción

Datos que necesitan ser importados en el sistema de planificación del tratamiento: Tamaño de finito de la fuente Distribución de fluencia abierta Modulación de la fluencia Fuente de dispersión del cabezal Filtro aplanador Colimadores PDD, TMR, TPR; Fuga de los colimadores Fuga de las MLC interláminas Forma de las puntas de las MLC Espectro del Haz Cambios espectrales Contaminación electrónica

Introducción

• En 1967 SCHOKNET consideró el cuerpo humano constituido integralmente de agua en los algoritmos de cálculo de dosimetría clínica;

Algoritmos

ALGORITMOS DE PLANIFICACIÓN

Una limitación importante de la precisión de la dosis entregada al paciente en RT está determinada por la:

– Precisión del algoritmo que calcula la dosis del plan de tratamiento; – Discrepancias entre lo medido (lo que ocurre en el paciente) y lo calculado;

– Recomendaciones para la verificación de TPS:

– TG 53, AAPM (1998). – TRS 430, IAEA (2004). – NCS report 15 (2006) – ICRU 83, aspectos históricos y generales de los algoritmos.

Algoritmos

Algoritmos basados en Factores ALGORITMOS DE PLANIFICACIÓN - CLASIFICACIÓN

• Algoritmos estructurados por una serie de factores que se mueven desde el punto en una geometría de interés al punto de referencia y geometría usados para la calibración del haz.

• Algunos factores son correcciones pero, la mayoría son relaciones entre 2 diferentes geometrías de irradiación en una cadena de geometría compensada por los factores.

• Factors are applied a posteriori to account for the difference between the phantom setup in the measurement and the patient-specific conditions, such as blocks, compensators as well as for the fact that the patient surface is not flat and tissues in the patient are not water.

• La mayoría de estos factores muestra la diferencia de la dosis absorbida por la diferencia de atenuación debido al paso del haz a través de tejido heterogéneo hasta alcanzar el punto de calculo de la dosis absorbida.

• Las condiciones o correcciones de heterogeneidad fueron consideradas despreciables. • Ejemplos de TPS: Plato (Elekta), GE Target (GE)…

Algoritmos

Algoritmos basados en Factores ALGORITMOS DE PLANIFICACIÓN - CLASIFICACIÓN

• Algoritmos estructurados por una serie de factores que se mueven desde el punto en una geometría de interés al punto de referencia y geometría usados para la calibración del haz.

• Algunos factores son correcciones pero, la mayoría son relaciones entre 2 diferentes geometrías de irradiación en una cadena de geometría compensada por los factores.

• Factors are applied a posteriori to account for the difference between the phantom setup in the measurement and the patient-specific conditions, such as blocks, compensators as well as for the fact that the patient surface is not flat and tissues in the patient are not water.

• La mayoría de estos factores muestra la diferencia de la dosis absorbida por la diferencia de atenuación debido al paso del haz a través de tejido heterogéneo hasta alcanzar el punto de calculo de la dosis absorbida.

• Las condiciones o correcciones de heterogeneidad fueron consideradas despreciables. • Ejemplos de TPS: Plato (Elekta), GE Target (GE)…

Algoritmos

ALGORITMOS DE PLANIFICACIÓN - CLASIFICACIÓN

Algoritmos basado en Modelos

Tipo a. • Para correcciones de inhomogeneidad están basados en “equivalent path length scaling”. • Sin modelado en cambios de transporte lateral de electrones. • Ejemplos: Varian Eclipse (corrección de Batho modificada, 1964), Varian Eclipse

(Equivalent TAR correction), Oncentra Master Plan (Pencil Beam Convolution), PPLAN y XiO (convolution).

Tipos: a, b e intermedios.

Algoritmos

ALGORITMOS DE PLANIFICACIÓN - CLASIFICACIÓN

Algoritmos basados en Modelos

• Ejemplos: Pinnacle/CC, Oncentra MasterPlan/CC, XiO/Super, Tomotherapy. • Tipo b avanzados, realizan el transporte lateral de electrones explícitamente como

Monte Carlo y Solvers determinísticos (Ej: Varian Acuros).

Tipo b. • Consideran los cambios del transporte lateral de electrones. • Son algoritmos más aproximados pero que no realizan explícitamente el modelado del

transporte lateral de electrón. • La energía desde los electrones primarios y fotones dispersados es incluida de una

manera aproximada porque es escalada rectilíneamente con la densidad de electrones de acuerdo al teorema de O`Connor (1957).

Algoritmos

ALGORITMOS DE PLANIFICACIÓN - CLASIFICACIÓN

Algoritmos basados en Modelos

• Ejemplos: Pinnacle/CC, Oncentra MasterPlan/CC, XiO/Super, Tomotherapy. • Tipo b avanzados, realizan el transporte lateral de electrones explícitamente como

Monte Carlo y Solvers determinísticos (Ej: Varian Acuros).

Tipo b. • Consideran los cambios del transporte lateral de electrones. • Son algoritmos más aproximados pero que no realizan explícitamente el modelado del

transporte lateral de electrón. • La energía desde los electrones primarios y fotones dispersados es incluida de una

manera aproximada porque es escalada rectilíneamente con la densidad de electrones de acuerdo al teorema de O`Connor (1957).

Algoritmos

ALGORITMOS DE PLANIFICACIÓN - CLASIFICACIÓN

Algoritmos basados en Modelos

Tipo Intermedio. • Está entre tipo a y tipo b, donde el núcleo del algoritmo es Pencil Beam Convolution con

algunos elementos tomados desde los algoritmos tipo b, Ej: Varian Eclipse/AAA.

Algoritmos

ALGORITMOS DE PLANIFICACIÓN - CLASIFICACIÓN

Algoritmos basados en Modelos

Basados en 2 partes: • La parte 1 modela el haz, dando una representación de la distribución de fluencia

pre-paciente; • La parte 2 modela al paciente, usualmente basado en una representación

tomográfica del tejido del paciente; calculando la dosis en cualquier punto dentro del paciente por la fluencia incidente.

• Algoritmos que computan directamente la dosis absorbida por la fluencia de energía en el paciente.

• Basados en métodos de convolución o superposición en los que los transportes de kernels son generados por simulación Monte Carlo o por simulación Monte Carlo directa del transporte de la partícula.

Monte Carlo

Método de Monte Carlo –Los caminos tortuosos de millones de fotones y electrones secundarios son trazados para calcular el depósito de dosis basado sobre las interacciones físicas en la materia (Efecto Compton, Producción de Pares y Efecto Fotoeléctrico); –Corrección de heterogeneidad con más precisión;

–Lleva en consideración todo el sistema no solamente los tonos de gris!

–El método de Monte Carlo es el método más preciso para calcular la dosis pero requiere un gran tiempo de proceso;

Ejemplo de precisión de cálculo con MC

Ejemplo de precisión de cálculo con MC

Ejemplo de precisión de cálculo con MC

Monte Carlo en VMAT

• Basadas en las diapositivas anteriores es notable que los algoritmos que utilizan el Monte Carlo tienen una mejor precisión de cálculo! • Elekta desarrollo el sistema de planificación Monaco utilizando el XVMC- X ray voxel Monte Carlo.

– Como funciona? • Separado en dos partes:

– 1- Busca la mejor distribución de dosis; – 2-Lleva en consideración las limitaciones del acelerador;

– Como el algoritmo hace el cálculo de las dosis? – Tarda mucho en calcular?

Monte Carlo en VMAT

El futuro de los TPS

– Ray Station;

– Dibujar las distribuciones de dosis;

– Planificaciones utilizando RMN;

– Otras…

Sueños de los TMs y Físicos

– Que la primera optimización satisfaga las restricciones de dosis; – Que no sea modificado el PTV después que la planificación está lista; – Que el médico no cambie de parecer después de haber aprobado el plan; – Que el DQA tenga un resultado aceptable; – Y finalmente, que consigas ir a casa mientras todavía hay luz!!

GRACIAS