Mitä on VMAT? Sädekeilan intensiteettimuokkaus. Mikko Tenhunen HYKS Syöpätautien klinikka

Transkriptio

1 Mitä on VMAT? Mikko Tenhunen HYKS Syöpätautien klinikka Sädehoitopäivät, Lahti Sädekeilan intensiteettimuokkaus Annossuunnittelun suora ongelma ja Minkälaisen annosjakauman D P annettava säteilykentts teilykenttä tuottaa potilaaseen? käänteisongelma Millainen kenttä (kentät) t) tarvitaan tuottamaan haluttu annosjakauma potilaaseen? Analyyttinen menetelmä: DP e a E ab V ' b ( x, y, z) f( DP ( x', y', z' )) e d ( ) ' ' E d ab dv N. Abel ( )!

2 Intensiteettimuokkauksen kehitys Käänteisongelman ratkaisumenetelmät t (integraaliyhtälöiden iden ratkaisuja lukujen matemaatikkoja) yhtälön n analyyttinen ratkaisu: N. Abel (1820-luku) mikä tahansa piirros voidaan tuottaa sarjalla suoria viivoja eri suunnista nnista : G. Birkhoff (1940) Varhaisemmat yritykset sädehoidossas mm. B. Proimos 1960 Dyn. MLC:hen perustuvat tekniikka sisält ltäen kääk äänteisongelman numeerisen, iteratiivisen ratkaisun johtivat kliinisesti käyttk yttökelpoiseen menetelmää ään n 1990-luvulla: A. Brahme ym./karoliniska Institutet, Tukholma C. Ling ym./mskcc, New York W. Schlegel ym./dkfz, Heidelberg S. Webb ym./rmh, Lontoo - Ensimmäinen inen moniliuskakollimaattorin ja kaarikentän n tekn. kuvaus: Takahashi,, Kaarikentän matem.ratkaisu: Brahme,, Tietokoneoptimointi: Chin,, MLC & IMRT: (Brahme, Bortfeld, Ling ) - Tomoterapian idea: Mackie,, 1993 (binää äärinen kollimointi, kapea viuhkakeila) - Helikaalinen tomoterapia (Tomotherapy => Accuray) - Sekventiaalinen tomoterapia (Nomos) - Intensiteettimuokattu kaarihoito (IMAT): Yu Käyttää peruslinacin MLC:tä ja kartiokeilaa - IMATin yleisessä muodossa useita päällekkäisiä kaaria, jotka summautuvat. Kaarien modulaatio voidaan muodostaa esim. vastaavasta tomoterapiasuunnitelmasta

3 Sädehoidon käänteisongelma / Kuvanmuodostus tomografiassa Kulmakiviä: Phys Med Biol 29: , 1982 D vakio, kun r>r 0 =>... ratkaisu on vielä yksinkertaisempi, kun asetetaan D vakioksi, kun r<r 0!

4 Lieriömäinen PTV kehon keskellä Abelin yhtälön ratkaisu tasaisella keilalla: 2 h D D0 arcsin, r h/ 2 (h - kokoisen kohteen ulkopuolellla) 2r PTV kasvaa Suurempi kohde... PTV pienenee => suurempi sädetettävä alue => suurempi integraaliannos kauempana kohteesta Kokeellinen vertailu/mt: Tietynsuuruisen kohdealueen hoito tuottaa vakion integraaliannoksen kohdetta ympäröivälle pinnalle hoitotekniikasta riippumatta (fotoneilla!) Keskimääräinen annos cm säteisen pallokuoren ( OAR ) sisällä Kentät 1 2 (vast.) PTV =1 cm 6.5 % PTV =2 cm 16.3 % PTV =3 cm 31.4 % (6 MV) 31.9 % (10 MV) 31.4 % (15 MV) 31.0 % PTV =4 cm 56.4 % PTV =5 cm 90.5 % PTV =6 cm 99.7 % 4 (box) 31.5 % 360 o rot 32.4 %

5 Med Phys 26: ,1999 Med. Phys. 36: , For each clinical scenario, the normalized integral dose for a given shell was also relatively constant regardless of the number and orientation of beams, 2. or degree of sparing of critical structure. 3. 3D and IMRT planning tools can redistribute, rather than eliminate dose to the surrounding normal tissues (intuitively known by planners). More specifically, dose cannot be moved between shells surrounding the target but only within a shell. This implies that there are limitations in the extent to which a critical structure can be spared based on location and geometry of the critical structure relative to the target.

6 3DCRT, IMRT, VMAT... Integraaliannos vakio kohdetta ympäröivillä kuorilla likimain hoitotekniikasta riippumatta Annos voidaan jakaa kuoren eri alueisiin eri tavoin, mutta kuitenkin tietyissä rajoissa 1. Pieni annos suureen tilavuuteen suojaa tehokkaammin sarjamuotoisia normaalikudoksia (D max ratkaiseva) 2. Suuri annos pieneen tilavuuteen suojaa tehokkaammin rinnakkaismuotoisia normaalikudoksia (D mean & sädetetty tilavuus ratkaisevia) pienempi sekundäärikarsinooman riski? Normaali (forward) annossuunnittelu Käänteinen (inverse) annossuunnittelu

7 Intensiteettimuokkauksen toteutus käytk ytännössä Dynaaminen sädetystekniikkas esim. moniliuskarajaimen ja/tai lineaarikiihdyttimen sädetyssuunnan dynaaminen toiminta: Molemmat käytk ytössä = IMAT Käänteisongelman iteratiivinen ratkaisumenetelmä joka soveltuu annoslaskentaan (mm. ei tuota ratkaisua, jossa jouduttaisiin antamaan negatiivisia annoksia...) IMAT ja VMAT Intensity modulated arc therapy = IMAT useita kontrollipisteitä / kanturikulman paikka tai useita päällekkäisiä kaaria Volumetrically modulated arc therapy = VMAT yksi kontrollipiste (MLC:n muoto) / kanturikulman paikka ei modulaatiota kentässä (kiinteässä/hetkellisessä suunnassa) vaan useasta eri suunnasta tulevat kentät summautuvat ja moduloivat kohdetilavuuden (= volumetric) annosjakaumaa

8 Annossuunnittelun käänteisongelman ratkaisu Fysikaalinen optimointi Annosrajat (Gy( Gy) ) tai annos-tilavuusrajat kohdealueessa ja kriittisissä rakenteissa Optimointi tuottaa tyypillisesti pienimmän n neliösumman ratkaisun, jossa kohdealueen ja kriittisten rakenteiden tavoiteannoksien välille v saadaan optimointialgoritmin rajoissa paras kompromissi (esim. Varian Eclipse IMRT/VMAT) Biologinen optimointi (1) Optimoi PUC = TCP(1-NTCP):t NTCP):tä,, jolloin teoriassa voidaan tuottaa parempi hoitotulos kuin fysikaalisessa mallissa ONGELMA: TCP & NTCP mallinnuksen epävarmuus (2) Voidaan optimoida myös EUD-malleista ( biologinen annos ) kokoonpantua optimointifunktiota (esim. CMS Monaco IMRT/VMAT), joka on tietyllä tavalla välimuotov PUC- optimoinnista ja fysikaalisista annosrajoista. D / DVH vs. EUD optimointikriteerinä Optimointikohde Sarjamuotoinen normaalikudos Rinnakkaismuotoinen normaalikudos Kasvain D max Fysikaalinen D / DVH useita DVH-rajoja D(V)<D max,i D min, D max EUD EUD ( D max ) EUD ( D mean, V<V V<V tol ) EUD, D max (EUD D min ) - molemmilla menetelmillä on mahdollista tuottaa samankaltaisia annosjakaumia - EUD:llä ainakin teoreettisia etuja (yksinkertaisemmat kriteerit, rinnakkaismuotoisten kudosten annosrajojen käsittely) - erojen kliininen merkitys on epäselvä

9 Oikean keuhkon EUD<15 Gy, V<V V<V tol V tol =60% V tol =40% Cyberknife ei käytä kaarisädetystekniikkaa, mutta... - käänteinen annossuunnittelu optimaalisen ratkaisun löytämiseksi - laaja kulma-alue, erit. non-koplaanisten kenttien runsas käyttö (paitsi posterioriset kentät) - matem.optimointimenetelmää hyvin vastaava sädetystapa (kapeita keiloja kiinteistä suunnista) => VMATin (IMATin) kaltainen lopputulos odotettavissa Paravati A.J., et al. Combined endoscopic Endonasal surgery fractionated SRS. Technology in Cancer Research & Treatment Vol. 9, 2010

10 VMAT voittaa melkein aina hoitoajassa muut tekniikat VMATin suorituskyky riippuu Annossuunnitteluohjelmasta käänteisongelman ratkaisutapa MLC-ohjauksen monimutkaisuus: sekvensseri Annossuunnitelman optimointikriteereistä & hoitokohteesta helpot tavoitteet => nopea hoito MLC:n suorituskyvystä liuskan leveys, liuskan nopeus Hoitokoneen annosnopeusmodulaation tehokkuudesta

11 Eturauhasen VMAT helpompaa, koska - pienempi hoitokohde - kriittisten elinten annokset riippuvat hitaasti kanturikulmasta (peräsuoli =>) hidas <= dd/d pieni Kaulan VMAT vaikeampaa, koska - suurempi hoitokohde - kriittisten elinten annokset riippuvat nopeasti kanturikulmasta (parotikset =>) kapealla kulma-alueella nopea <= dd/d suuri

12 Paras ratkaisu IMAT:n tekemiseksi? Teoriassa parhaan lähestymistavan tarjoaa tomoterapialaite kapea, binäärinen MLC: sulkee tai avaa kentän kulmassa x ilman viivettä => ei rajoituksia optimoinnissa... kuitenkin sen kustannuksella, että kuluu paljon monitoriyksiköitä ja hoitoaikaa, koska hoitaa kapean viipaleen kerrallaan herkempi liikevirheille hoidon aikana ei mahdollisuutta non-koplanaarisiin kenttiin Käytännössä kliinisesti merkittäviä eroja ei ole vakuuttavasti osoitettu: jokaisessa menetelmässä hyviä ja edelleen paremmaksi kehitettäviä ominaisuuksia Rock Mackie, Tomotherapy Inc, Wisconsin

13 Tomotherapy, Inc. Annossuunnitelman laatu: VMAT vs. IMRT -- Prostata, Quan et al. IJROBP 2011

14 MLC:n suorituskyvyn vaikutus --- Elekta MLCi => Agility --- Liuskan leveys 1.0 cm => 0.5 cm Liuskan nopeus 2.0 cm/s => 6.0 cm/s Sama annossuunnitteluohjelmisto (Philips Pinnacle), samat optimointikriteerit, samantasoiset DVH:t Bedford et al. JCMP 2012

15 Annosnopeuden vaikutus Med Phys 38: 4912-, 2011 Yu: Phys. Med. Biol VMAT: Samaan ratkaisuun on mahdollista päästä useaa reittiä - annosnopeusmodulaation ja kulman suhteen tehtävän modulaation erilaiset yhdistelmät tuottavat saman ratkaisun suuri annosnopeus & kapea kulma = pieni annosnopeus & leveä kulma

16 VMAT: paljon keiloja, vähän modulaatiota IMRT: vähän keiloja, paljon modulaatiota => DASSIM-RT muodostaa jatkumon näiden välille - lisää kiinteitä IMRT-kenttiä kaarien sisään niihin suuntiin, joissa lisämodulaatio parantaa jakaumaa Med Phys 38: 4912-, 2011 VMAT: Annoslaskennan kulmanäytteenotto riittävällä tasolla! Yu et al. PMB 2011

17 Enemmän modulaatiota... => Suurempi herkkyys liikevirheille hoidon aikana Ratkaisumalleja: - keskiarvoistus tarpeeksi pitkän hoitoajan kuluessa - hoito esim. hengityspidätyksessä tai vapaaseen hengitykseen tahdistettuna - liikettä seuraava sädetys Keall et al. Electromagnetic guided dynamic multileaf collimator enables motion management for intensity modulated arc therapy IJROBP 2011 Omaa testausta: Kaulan sädehoito 50 Gy VMAT vs. IMRT vs. TOMO

18 DV(Gy) PTV(V50%)=50Gy (2 Gy/fr) PTV5% IMRT1 (yksilöll.) 52.6 IMRT2 (luokka) 53.1 VMAT VMAT TOMO 52.1 DASS- IM-RT 52.7 PTV95% Medulla 5% O.parot. keskim. V.parotis keskim Normaali (forward) annossuunnittelu Käänteinen (inverse) annossuunnittelu ULKOINEN SÄDEHOITO (FOTONEILLA)