Adaptive radiotherapy, Radioterapia adattativa

1. XXIII Corso Residenziale di Aggiornamento
Moderna Radioterapia e Diagnostica per Immagini:
dalla definizione dei volumi alla radioterapia
«adaptive»
Il glossario per il corso:
Adaptive radiotherapy
G.C. Mattiucci, J. Ausem, M. Bianchi, F. De Rose, A. Fidanzio

2. Definizione
Adattare il trattamento radiante ai
cambiamenti anatomici che si verificano nel
tempo
• Obiettivo primario:
Mantenimento della validità del planning
(copertura ottimale del target, necessario
risparmio degli OaR)
• Obiettivo secondario:
“Sfruttare” la risposta tumorale (riduzione
dei volumi con/senza incremento di dose)

3. On-line IGRT vs Adaptive RT
Kupelian 2011

4. Adaptive RT: quando?
• Variazioni anatomiche non gestibili con
sole verifiche on-line IGRT
• Regimi frazionati

5. Adaptive RT: come?
• Oggi: Replanning
(off-line)
• Domani: CT “giornaliere” (CBCT)
Replanning giornaliero
Dose accumulation
(on-line)

6. Questioni aperte
•
•
•
•
Selezione dei casi
Timing corretto del replanning (off-line)
Reali benefici
Rapporto costo/efficacia

7. Tecnologie in Adaptive RT
Registrazione deformabile
• Autocontouring
• Dose accumulation

8. Registrazione deformabile
• Utilizzo di software dedicati
• Validazione del “processo automatico”
• Verifica dell’anatomia in ciascun caso

9. Variazioni dosimetriche
• Differenze significative “Plan vs Delivery”
• Ruolo della Dosimetria in vivo

10. Adaptive RT: possibili scenari clinici
• H&N
• Polmone
• Prostata
• Cervice

11. Adaptive RT: Lung
Sonke JJ, Belderbos J. Semin Radiat Oncol 20:94-106 ;2010

12. Adaptive RT: Lung
Incertezze geometriche
Strategie Adaptive
Incertezze geometriche
Dose escalation
Controllo tumorale
SVV
Sonke JJ, Belderbos J. Semin Radiat Oncol 20:94-106 ;2010

13. Adaptive RT: Lung
Management of anatomical and biological response
• Tumor regression
• Cambiamenti anatomici
(T centrali, grandi dimensioni, atelettasia preRT)
• Adapted plan
(riscontro di differenze significative tra dose
pianificata e dose erogata)
TIMING?? 5 – 7 settimane
Sonke JJ, Belderbos J. Semin Radiat Oncol 20:94-106 ;2010

14. Adaptive RT: Lung
Management of anatomical and biological response
• PET early
• Identificazione dei responders/non-responders
• Riduzione della tossicità
- Attuazione di protocolli di dose de-escalation
(responders)
- Trattamento palliativo (non-responders)
Sonke JJ, Belderbos J. Semin Radiat Oncol 20:94-106 ;2010

15. Adaptive RT: Lung
• Incertezze geometriche
-
Delineazione del target
Malattia microscopica
Set-up error
Organ motion
Sonke JJ, Belderbos J. Semin Radiat Oncol 20:94-106 ;2010

16. Adaptive RT: Lung
Breathing Adapted RT
• Riduzione dell’effetto dose-blurring
- Gated RT
- Breath-hold
- Tumor tracking
Sonke JJ, Belderbos J. Semin Radiat Oncol 20:94-106 ;2010

17. Adaptive RT: Lung
Management of interfraction variability
• Definizione e quantificazione delle
incertezze sistematiche e random (pz N0)
- Daily Imaging
- Stima delle variazioni della posizione del
target
- Adapted plan
Sonke JJ, Belderbos J. Semin Radiat Oncol 20:94-106 ;2010

18. Adaptive RT: Lung
Management of interfraction variability
• Definizione e quantificazione delle
incertezze sistematiche e random (pz N+)
- Differente organ motion T/N
- Necessità di registrazione deformabile
- Replanning su nuova TC con margini
ridotti
Sonke JJ, Belderbos J. Semin Radiat Oncol 20:94-106 ;2010

19. Adaptive RT: H&N
Castadot P. et al. Semin Radiat Oncol 20:84-93 ; 2010

20. Adaptive RT: H&N
• Buon controllo locale (no dose-escalation)
• Riduzione della dose agli OaR (Parotidi!)
Castadot P. et al. Semin Radiat Oncol 20:84-93 ; 2010

21. Adaptive RT: H&N
Anatomical modifications
• Risposta T/N
• Risoluzione cambiamenti anatomici
post-CH (es. edema..)
• Calo ponderale
Castadot P. et al. Semin Radiat Oncol 20:84-93 ; 2010

22. Adaptive RT: H&N
Anatomical modifications
• Risposta T/N
• Risoluzione cambiamenti anatomici
post-CH (es. edema..)
• Calo ponderale
Castadot P. et al. Semin Radiat Oncol 20:84-93 ; 2010

23. Adaptive RT: H&N
Anatomical modifications
• Riduzione media di
volume parotideo: 28%
• Shift mediale delle
parotidi altamente
correlato con calo
ponderale
• Cambiamenti anatomici
significativi dopo 3-4
sett.
Barker et al, IJROBP 2004

24. Adaptive RT: H&N
Anatomical modifications
• La risposta linfonodale
al trattamento porta le
parotidi medialmente, in
regioni a più alta dose
• Replanning a 45 Gy:
risparmio medio di 3 Gy
per ciascuna ghiandola
Kuo et al, Am J Clin Oncol 2006

25. Adaptive RT: H&N
Anatomical and functional modifications

26. Adaptive RT: H&N
Anatomical and functional modifications
“…. Clinical benefit of such adaptive strategy will have to be
carefully evaluated both in terms of patient outcome and costeffectiveness.
… In the mean- time, owing to the complexity of the
procedure, adaptive RT should not be used in routine clinical
practice, but be left to investigational studies.”
Castadot P. et al. Radiotherapy and Oncology 101:343-350 ; 2011

27. Adaptive RT: H&N
Positioning errors
• Incertezze dosimetriche
• Dall’IGRT alla daily dose recalculation
“…The goal is, therefore, to adjust the originally prescribed dose
to completely compensate voxels, which were overdosed (or
underdosed) in previous fractions by decreasing (or increasing)
the dose goal at those voxels”…
Castadot P. et al. Radiotherapy and Oncology 101:343-350 ; 2011

28. Adaptive RT: H&N
Dose guided
“… It is important to note that from a practical point of view, this
adaptive strategy is only possible with being able to reconstruct
the actual dose distribution using 3D on-board imaging that are
designed to perform dose reconstruction”…
Castadot P. et al. Radiotherapy and Oncology 101:343-350 ; 2011

29. Adaptive RT: H&N
Dose guided
•
La possibilità di calcolare la distribuzione di dose
ricevuta da un pz attraverso immagini volumetriche
ottenute “in room” e di sovrapporla a quella “originale”
(TC simulazione) consente di riottimizzare il piano di
trattamento, laddove la discrepanza di dose sia eccessiva
(es. più bassa al target o più alta agli OaR rispetto al PT
iniziale)
Langen et al, Medical Physics 2006
Zhang et al, IJROBP 2007

30. Adaptive RT: H&N
Dose guided

31. Adaptive RT: Prostate cancer
• 1- Gestione convenzionale delle variazioni
del posizionamento nella delivery.
- Immagini Portali – VIP settimanali.
- Sistemi di immobilizzazioni.
(sicurezza - aumento margini e l’aggiustamento del set up)
-Utilizzano:
- dosi più basse
- Minor controllo biochimico e locale.
2- Implementazione clinica della IGART.
-Off Line
-On Line
Michel G et al, Adaptive Radiation Therapy for Prostate Cancer, 2010

32. Implementazione clinica della IGART.
Off Line
•
Metà degli anni 90, - sistema off line adaptive per minimizzare gli
effetti indesiderati nei singoli trattamenti.

33. TC – Initial PTV

34. Patient –specific PTV

35. Martinez et al.
-Trattamento convenzionale
- 10% pazienti missing del target.
- Trattamento adaptive.
- 4.6% dei pazienti missing vescichette
seminali.
- 1,9% missing prostata.
Martinez A et al:. Int J Radiat Oncol Biol. 2001

36. • Nijkamp et al (2008)
- Adaptive replanning
- Diminuzione del PTV del 29% e della dose totale
al retto del 19%.
Michel G et al, Adaptive Radiation Therapy for Prostate Cancer, 2010

37. Beaumont Group (2005)
•Ha verificato con l’adaptive:
-aumento del controllo biochimico dal 83 al 90%.
-diminuzione di ripresa di malattia.
-aumento della sopravvivenza.
-sicurezza nella prescrizione di dose più elevate.
(studi dose escalation – tossicità relativamente
invariata).
•Adaptive / IMRT -Ulteriori Vantaggi – minor
tossicità .
Michel G et al, Adaptive Radiation Therapy for Prostate Cancer, 2010

38. Grade 3 Chronic Toxicity by Dose Level
Michel G et al, Adaptive Radiation Therapy for Prostate Cancer, 2010

39. Implementazione clinica della IGART.
On Line

40. Adaptive RT: Cervical cancer
• Trattamento Standard – EBRT con CT
concomitante e BRT.
• Significativa diminuzione del tumore nelle prime
settimane di trattamento RT/CT + organ motion.
Kari T. Adaptive Management of Cervical Cancer Radiotherapy
Semin Radiat Oncol, 2010

41. Adaptive EBRT – Cervical cancer
Kari T. Adaptive Management of Cervical Cancer Radiotherapy
Semin Radiat Oncol ,2010

42. Adaptive BRT – Cervical cancer
• Erogato nelle ultime settimane del trattamento.
• Tradizionalmente – prescrizione di dose sul Punto A.
Non adatto ad essere utilizzato nei trattamenti a 4D.
• Necessità di un BRT adaptive target.
• Il concetto di BRT Image Guidance consiste in:
- Adattare l’applicatore ad una situazione anatomica.
- intra cavitari – tumori piccoli.
- intra cavitari + interstiziali – tumori più grandi.
- Ottimizzazione 3D della dose con l’applicatore in situ.
• Eseguendo Imagine Guided e l’ottimizazione della dose ad
ogni frazione della BRT, si modella meglio la dose al Target,
risparmiando gli OARs.
Kari T. Adaptive Management of Cervical Cancer Radiotherapy
Semin Radiat Oncol ,2010

43. • Potter et al ha trattato 200 pazienti con 3D
EBRT+ CT concomitante +IGABRT
- Controllo locale del 85% nei
tumori avanzati
- Controllo locale maggiore del 90%
negli stadi iniziali.
- Aumento della sopravvivenza.
- Diminuzione della tossicità.
Potter R. et al.Recommendations from gynaecological
(GYN) GEC-ESTRO Working group II.
Radiotherapy & Oncology 78, 67-77, 2006

44. Esempio di IGABRT
• RM sagittale –
Tumore di 6.6 x5.8x
5.6
• RM sagittale, con
l’applicatore.

45. Oggi “Adapt what?”
• Tomotherapy → HI ART
• Linac → IMRT IGRT plus “Deformable dose”

46. Adaptive Off-line
HI ART
• Confronto fra il sistema “Acceleratore lineare
convenzionale” e il sistema HI ART (Highly
Adative Radiotherapy) della TomoTherapy
(Dr. Ing. Giovanni Rigoli, Tecnologie Avanzate T.A. Srl)

47. HI ART
• MVCT con ricostruzione della dose
effettivamente erogata seduta per seduta
• Replanning (tutti i giorni?) basato non
solo su variazioni di forma e volumi ma
anche sulla cumulative dose
(visualizzazione di zone sovra o sotto
dosate)

48. Adaptive Off-line
IMRT-IGRT
• Daily KV cone-beam CT and deformable image
registration as a method for studyng dosimetric
consequences of anatomic changes in adaptive
IMRT of head and neck cancer
Ulrik V. Elstrøm, Barbara A. Wisocka, Ludvig P.
Muren, Jørgen B. B. Petersen & Cai Grau
• Nostra Esperienza

49. IMRT IGRT
• Replanning sulla nuova TC di simulazione
• TC di riferimento e immagine della
distribuzione di dose deformate sulla TC di
replanning (Velocity). Ottengo una
proiezione di dove sta andando la dose
sulla nuova situazione anatomica

50. Deformable Dose
DVH delle strutture
deformate

51. Quindi?
Ripianifico su ieri non potendo farlo
su quello che ho oggi

52. Adaptive On-Line
‘Plan of the day’ adaptive radiotherapy for bladder
cancer using helical tomotherapy
Vedang Murthy , Zubin Master , Pranjal Adurkar , Indranil Mallick ,
Umesh Mahantshetty , Ganesh Bakshi , Hemant Tongaonkar ,
Shyamkishore Shrivastava
Tata Memorial Hospital, Mumbai, India
Tentativo di adaptive on line per
“similarità” tramite la creazione di una
libreria di piani. Ogni seduta ne viene
selezionato uno in base alla MVCT.

53. Adaptive On-Line
A case study for online plan adaptation using helical
tomotherapy
Cristopher E. Neilson, Slav Yartsev
1
London Regional Cancer Program, London, Ontario,
Canada
Simulazione di Replanning quotidiano sulla
MVCT di un paziente affetto da K vescica
(30 min per il contouring+90 min per
l’ottimizzazione del piano di trattamento)

54. Conclusioni
• Necessità di un imaging di qualità
• Complessità del processo
• Necessità di workflows codificati
• Quanti pazienti ne possono realmente
beneficiare?

61. • For CBCT the measured transmission is the sum of the primary and
scatter transmission, the beam is polyenergetic with an energy
spectrum that varies with off-axis position and the EPID response is
energy-dependent. These phenomena cause the cupping artefacts.
• Truncation artefacts occur when the object is larger than the FOV of
the MVCBCT. Attenuation of the beam in the part of the object
outside the FOV is reconstructed as if it had occurred within the
FOV, leading to overestimations in ED near the boundaries of the
FOV.

66. Caratterizzazione del software MIM
per la coregistrazione deformabile
delle immagini TAC e CBCT ai fini
di un suo possibile impiego nella
radioterapia adattiva

67. TAC 1 fantoccio in prima configurazione, 3 inserti tutti con lo stesso volume
riempiti con mezzo di contrasto, più la struttura rigida che simula le ossa
Prima configurazione
Seconda configurazione
TAC 2 fantoccio in seconda configurazione, i volumi dei 3 inserti sono stati modificati per
ottenere valori decrescenti, mentre la struttura rigida è rimasta invariata

68. Sono state realizzare tre CBCT 2 del fantoccio nella seconda
configurazione con qualità dell’immagine decrescente
TAC prima
configurazione
CBCT HD seconda
configurazione
CBCT MD seconda
configurazione
CBCT LD seconda
configurazione

69. TAC R ottenute dalle fusioni tra TAC 1 su: la TAC 2 e CBCT
2, HD, MD e LD.

70. Parametri dello studio
• Capacità del software di ricostruire i volumi della
seconda configurazione a partire da quelli della prima
configurazione
• Capacità del software di conservare i numeri hounsfield
durante la coregistrazione deformabile ai fini di valutare
la possibilità di calcolare un piano di trattamento
adattivo sull’immagine ottenuta dalla fusione

71. Risultati
• Variazioni percentuali dei volumi contornati direttamente
su TAC e CBCT di diversa risoluzione ottenute per la
seconda configurazione del fantoccio e quelli ottenuti
mediante coregistrazione deformabile della TAC del
fantoccio in prima configurazione
TAC2
CBCT HD
CBCT MD
CBCT LD
media
%
%
%
%
%
P1
5
6
1
7
5
P2
6
4
1
4
4
P3
6
3
2
1
3
SI
2
7
14
16
10

72. Risultati
Scarto tra i numeri CT dei diversi volumi ottenuti mediante la
fusione deformabile sulle TAC R e quelli relativi ai volumi
della TAC 2.
HN TAC 2
HN HD
HN MD
HN LD
P1
-6
-6
-20
-15
P2
9
3
2
2
P3
1
-1
-2
-3
SI
0
0
2
0

73. Conclusioni
• La contornazione automatica dei volumi
mediante coregistrazione deformabile non
sembra essere influenzata dalla qualità della
CBCT nel range di definizione utilizzato a meno
della struttura interna nelle parti terminali
dell’immagine CBCT.
• I numeri CT dei volumi ricostruiti con la
coregistrazione deformabile mostrano variazioni
accettabili rispetto ai valori di riferimento.