Wstęp do Tomoterapii. Przybliżenie podstawowych zagadnień związanych z realizacją leczenia metodą tomoterapii spiralnej.

1. Tomoterapia Spiralna
Tomasz Piotrowski
Zakład Fizyki Medycznej Wielkopolskiego Centrum Onkologii oraz
Zakład Elektroradiologii Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu

2. ?
1990
1996
Siemens Elekta
Anders Brahme 1988
Radiother Oncol 12, pp129
pierwsze doniesienia o możliwości
zwiększenia konformalności terapii
poprzez zastosowanie modulacji
intensywnością dawki Varian

3. ‘90
- Pierwsza zrealizowana koncepcja IMRT;
MIMiC
- NOMOS Corporation;
- PEACOCK - system odwrotnego
planowania wykorzystujący kolimator
wielowistkowy MIMiC;
Multileaf
Intensity - Pierwszy pacjent leczony w 1994 roku;
Modulating - Sekwencyjna tomoterapia;
Collimator - 141 instalacji do roku 2003 (dane AAMP)

4. IMRT (7 wiązek, Corvus system) 3D (dwie wiązki lateralne)
Sekwencyjna tomoterapia (PEACOCK) 3DCRT (5 wiązek)
Bruce Curran, NOMOS

5. Bruce Curran, NOMOS

6. Dlaczego sekwencyjna tomoterapia nie zdominowała innych
rozwiązań technologicznych stosowanych w radioterapii ???
Komplikacje związane z:
- realizacją leczenia (manualny przesów stołu terapeutycznego);
- czasochłonnością;
- weryfikacją dozymetryczną;
- weryfikacją geometryczną (EPID);
- brakiem koncepcji na zaawansowaną weryfikację anatomiczną
(pojawiające się w ofertach innych producentów systemy IGRT oparte
na metodzie keV/MeV CBCT lub zdjęć 2D keV);
Chociaż…
Koncepcja realizacji RT zaproponowana przez NOMOS była słuszna.
IMAT Elekta (Yu, 2002), RapidArc Varian (2008)

7. Thomas Rockwell Mackie, Tomotherapy

8. Tomoterapia Spiralna – założenia
- Nowe podejście do realizacji IMRT
- Integracja systemu
- Proste MLC (MIMiC)
- Poprawa rozdzielczości MLC
- Zwiększenie liczby wiązek
- Jedna energia promieniowania X 6MV
- Wzrost osłonności ograniczników pola
- Tomograficzna weryfikacja leczenia

9. Tomoterapia Spiralna – specyfikacja ogólna
- 6 MV Siemens linac
- Up to 8 Gy/min @ axis
- 85 cm diameter gantry bore
- 64 leaves with 6.25 mm resolution @ axis
- 5 cm x 40 cm maximum field @ axis
- Slice field width from 5 mm to 50 mm @ axis
- Minimum beamlet size 5 mm x 6.25 mm @ axis
- Xenon CT detectors with
per pulse acquisition
- 0.25 mm precision
CT couch
- Leaves 10 cm thick,
95% tungsten alloy
- Primary collimator 22 cm
thick 95% tungsten alloy
Na podstawie:
TR Mackie, Tomotherapy 2003

10. Możliwości optymalizacyjne
Na przykładzie obszaru napromieniania o wielkości 10 cm x 10 cm x 10 cm
IMRT realizowane przy użyciu statycznych wiązek promieniowania:
- Kilka (N) wiązek terapeutycznych (od 5 do 9) każda 10 cm x 10 cm
- Każda z wiązek składa się z beamletów o wielkości 1 cm x 1 cm
Liczba potencjalnych beamletów do wykorzystania: N x 100 (max 900)
Tomoterapia sekwencyjna (PEACOCK):
- 10 obrotów, wokół obszaru napromieniania
- Każdy z obrotów podzielony na 51 równoodległych łuków (ok 7 st)
- Każdy z łuków zawiera 10 beamletów
Liczba potencjalnych beamletów do wykorzystania: 51 x 10 x 10 = 5100

11. Możliwości optymalizacyjne
Na przykładzie obszaru napromieniania o wielkości 10 cm x 10 cm x 10 cm
Tomoterapia spiralna:
- jak w tomoterapii sekwencyjnej z uwzględnieniem parametru “pitch”
- Kliniczne wartości “pitch” od 0.2 (pięć obrotów) do 0.5 (dwa obroty)
- Biorąc pod uwagę wiązkę o szerokości 1 cm
Liczba potencjalnych beamletów do wykorzystania: 5 x 5100 = 25 500
Definicja współczynnika pitch:
The pitch factor is defined as couch movement per rotation in units of the FBT
FBT - Fan beam thickness (1 cm, 2.5 cm i 5 cm)

12. Wiązka wachlarzykowa
- Szerokość od 5 mm do 50 mm
- Brak filtra stożkowego:
* dedykowany system IMRT,
* większe natężenie w osi centralnej wiązki
* brak komponenty neutronowej, brak (minimalny) head-scatter
* “prawie jak” CT bowtie filter

13. Wiązka wachlarzykowa
1 cm
40 cm
- Twardsze spektrum wzgl Clinac 2100
Kodak XV film (Mackie et al)
- Brak utwardzania wiazki poza osią centralną
- Profil odmienny niż koncepcja “0-1”

14. MLC
- System binarny (0-1)
- Otwieranie/zamykanie sterowane systemem opartym na sprężonym powietrzu
- Czas otwarcia 20 ms (rozbieżności uwzględnione w procesie optymalizacji)
- 64 listki każdy o nominalnej szerokości 6.25 mm w izocentrum
- Grubość listka 10 cm (95% wolframu) transmisja 0.5% w polu i 0.2% poza polem
- Długość kolimatora 40 cm
- 3 szerokości pola (1, 2.5 5 cm) uzyskiwane dzieki ogranicznikom pola (nie MLC)

15. MLC
Transmisja
przez listki
w porównaniu z
osiągami
klasycznych
akceleratorów
Dlaczego 6.25 mm? (grubość listka w izocentrum):
Shepard et al Med Phys 1999, 26:1212-21 udowodnił, że zastosowanie 6 mm
zamiast 10 mm szerokości listków znacząco poprawia jednorodność rozkładu dawek
w obszarze napromienianym. Ponadto przedstawił że nie ma zysku klinicznego
w przypadku dalszej redukcji szerokości listków do 2 mm.
(Nie mówimy tu o rozwiązaniach stereotaktycznych)
Głowica + układ kolimujący pozwalają na zobrazowanie obszaru o średnicy 40 cm.
Średnica obszaru terapeutycznego może wynosić nawet 70 cm.

16. Stół
- Konstrukcyjnie – odpowiednik stołu tomograficznego (różnica płaska leżanka)
- Możliwość mocowania komercyjnie dostępnych unieruchomień (Sinmed, MedTec…)
- Trzy kierunki ruchu (brak rotacji)
- Rotacja w płaszczyźnie poprzecznej pacjenta redukowana automatycznie poprzez
zmianę kąta startowego napromieniania
- Przesów stołu umożliwia realizację jednorazowego napromieniania polem
długim do 160 cm (pełna opcja) (40 x 160 cm).
- Precyzja stołu w osi CC 0.25 mm

17. Obrazowanie MV
- Konwencjonalny detektor CT (xenon ion chamber)
- Energia w trakcie tworzenia skanów 3.5 MV
- Dawki pochłaniane w trakcie obrazowania 0.5 – 3 cGy
- Detektory odgrodzone wolframowymi błonami w celu
likwidacji szumu “cross-talk” (miedzy detektorowego)
- Dwojaka funkcja detektorów: obrazowanie MVCT
przed podaniem dawki terapeutycznej oraz w trakcie
napromieniania archiwizowanie informacji o
pochłoniętej dawce w celu jej prezentacji na skanach
MVCT
Ruchala et al Med Phys 2002;29:2590-605 udowodnił:
- możliwość detekcji struktur o średnicach 3 cm
i różniących się kontrastem o 3% (mięśnie-tłuszcz)
- dla struktur znacząco różniących się kontrastem
(powietrze-kości) istnieje możliwość detekcji
struktur o średnicy 1.2 mm

18. Obrazowanie MV
- MVCT stosowane głównie w trakcie MVCT kVCT
kursu RT w celu weryfikacji
międzyfrakcyjnych zmian anatomicznych.
W wybranych przypadkach możliwość
wykorzystania w procesie przygotowania
planu leczenia
(leczenie paliatywne – moduł StartRT,
artefakty na kVCT i ich brak na MVCT)
kVCT
MVCT kVCT
MVCT

19. Oprogramowanie: System Planowania
- Planowanie odwrotne (dedykowane IMRT)
- algorytm Collapsed Cone C/S
- 32 procesorowa jednostka obliczeniowa
(olbrzymia liczba beamletów)
- TERMA (total energy release per unit mass)
kalkulacja wstępna (minuty)
(szybka, przyblirzona, nie zawierająca
pełnych informacji o rozkładzie dawki)
- W trakcie pierwszej kalkulacji dawek
tworzony sinogram zawierający informacje
o interakcji każdego potencjalnego beamletu
z ośrodkiem napromieninym (10 – 30 min).
Kolejne kalkulacje dawek modyfikują
istniejący sinogram ( < 2 min)
- Full beamlet calc – kalkulacja pełna
(godziny, zapuszczana na noc)
- Brak problemu “odmiennych dawek”
(przykład helios-eclipse)

20. Oprogramowanie: Fuzja obrazów
- Weryfikacja ułożenia przed rozpoczęciem
sesji terapeutycznej
- Fuzja kVCT-MVCT lub MVCT-MVCT
- Automatyczna korekta pozycji w osiach
C-C, A-P, M-L oraz korekta rotacji pacjenta
wokół osi długiej (C-C) – zmieniana jest
pozycja startowa źródła. Brak korekcji
rotacji wokół osi A-P i M-L

21. Oprogramowanie: Rekonstrukcja dawki
- Unikalna metoda oparta na dozymetrii transmisyjnej.
- Zbieranie przez detektor informacji dot. natężenia promieniowania emitowanego
w trakcie sesji RT
- Rekonsrukcja dawki na uprzednio utworzonych skanach MVCT lub na skanach
użytych w trakcie planowania kVCT
- Porównanie dawek pierwotnych (zaplanowanych) z aktualnymi
(dostarczonymi w trakcie sesji RT) ze szczególnym
uwzględnieniem PRV/OAR i obszaru napromieniania.
Porównanie izodoz i histogramowe.
- Możliwość reoptymalizacji planu leczenia z uwzględnieniem
zaistniałych rozbieżności pomiędzy dawami.

22. Proces

23. Weryfikacja dawki po zastosowanych przesunięciach

24. Rekonstrukcja dawki

25. Uwzględnienie informacji o deformacji krzywoliniowej

26. Reoprymalizacja
przesunięcie o 3 woksele (0.54 cm)
przed leczeniem różnica dawek
przed i po
przesunięciu
dawka podana dawka
bez uzupełniająca
uwzględnienia
przesunięcia

27. Reoprymalizacja

28. Przypadki kliniczne – oś mózgowo-rdzeniowa

29. Przypadki kliniczne – TMI
Klasyczny TBI
HT TMI

30. Przypadki kliniczne – scalp

31. Przypadki kliniczne – głowa i szyja

32. Przypadki kliniczne – rdzeń kręgowy, re-treatment

33. Przypadki kliniczne – mózg

34. Przypadki kliniczne – rak piersi
Helical tomotherapy
Direct tomotherapy (nowa opcja)

35. Przypadki kliniczne – rak stercza

36. Przypadki kliniczne – rak odbytu

37. Przypadki kliniczne – anal adenocarcinoma
Helical tomotherapy Step and shot IMRT

38. Przypadki kliniczne - wątroba

39. Przypadki kliniczne – rak płuca