FIGYELEM! Az előadás teljes anyaga az összes animációval együtt letölthető a következő címről: http://www.onko.szote.u-szeged.hu/letoltes/radioter_fiz_alapjai/Negyedeves_magyar.zip
Mérete > 300 M!!! A letöltött .zip fájlt egy önálló könyvtárba csomagolja ki, majd indítsa el az „1. rész.ppt” nevű fájlt. A bemutatóban fellelhető beágyazott ikonok rájuk kattintva lejátszák a képeket, filmeket. A bemutató végén értelem szerűen folytassa a 2. rész.ppt, ill. 3. rész.ppt részekkel!
Sugárterápia Technikai alapok
Bevezetés Daganatos betegek kezelése: Sebészet – Sugárterápia – Kemoterápia Sugárkezelés – a betegek 50%-a A tumoros esetek 60%-ában lokalizált tumor (áttétek még nem jelentkeztek) – ezek a betegek potenciálisan gyógyíthatók (kuratív). A sugárterápia célja: valamennyi tumoros sejt elpusztítása sugárzással. Nehézségek: rizikószervek a tumor közelében.
A sugárterápia kettős célja: • Emelni a dózist a céltérfogatban • Csökkenteni a dózist a környező egészséges szövetekben. 1. jobb tumor kontroll TCP – Tumor Control Probability 2. csökken a mellékhatások valószínűsége NTCP – Normal Tissue Complication Probability A kettő együtt növeli a gyógyulás esélyét.
KONVENCIONÁLIS KONFORMÁLIS Orvosi fizika és számítástechnika fejlődése Modern computer hard – és szoftverek – Tumor lokalizáció – Besugárzás tervezés – Szimuláció – Kezelés kontrollja és verifikáció
KONVENCIONÁLIS KONFORMÁLIS IMRT Orvosi fizika és számítástechnika fejlődése Modern computer hard – és szoftverek – Tumor lokalizáció – Besugárzás tervezés – Szimuláció – Kezelés kontrollja és verifikáció
A sugárterápiás folyamat lépései
Radiotherapy treatment chain Rögzítés – Képalkotás – Tumor Lokalizáció – Besugárzás Tervezés – Pozícionálás – Kezelés – Minőségbiztosítás és Verifikáció
I. A beteg rögzítése Nagy TU dózis, alacsony OAR (rizikószerv) dózis Közeli tumor és rizikószerv nagy dózisesés kis távolságon beteg beállítás, rögzítés kritikus, ti. kis hiba aluldozirozást (tumorban) v. túldozirozást (egészséges szövetben) okozhat. Általános megfontolások 1. A Target térfogatok definíciója (ICRU 50 és ICRU 62) GTV (Gross Tumor Volume) – a diag. képeken látható, v. más klinikai vizsgálatból nyílvánvaló tumor CTV (Clinical Target Volume) – a GTV + margó, amely a mikroszkópikus kiterjedést tartalmazza PTV (Planning Target Volume) – beállítási bizonytalanságok, szervmozgások, szervek deformációja
A PTV-nek a teljes kezelés alatt tartalmaznia kell a CTV-t! RÖGZÍTÉS 2. Bizonytalanságok forrásai a. Beállítási bizonytalanságok b. Szervmozgás és deformáció 3. Beállítási követelmények Általános követelmény csökkenteni a CTV-PTV biztonsági zónát. Reprodukálhatóság. Kompatibilitás a képalkotó modalitással. Praktikus, könnyű használat. Kényelem a beteg számára.
Rögzítési technikák Fejrögzítés: Invazív rögzítés – sugársebészet teljes dózis – egyetlen frakció
Beállítási bizonytalanság < 1mm
INVAZÍV RÖGZÍTÉS
Nem invazív rögzítés harapás-blokk és/vagy maszk maszk – minden betegre egyénileg készül, termoplasztikus anyag, poliuretán hab, megszilárduló ragasztó szalagok
FEJRÖGZÍTŐ MASZK KÉSZÍTÉSE
Extracraniális céltérfogatok rögzítése (test) A fejrögzítésnél nehezebb feladat a test nem merev kiterjedése nagyobb szervmozgások, ld. fentebb
Néhány lehetséges megoldás Vákuum párnák – alulról rögzítik a testet Vákuum rögzítők – felülről rögzítik a testet Levegőn megszilárduló anyagok – termoplasztikus lapok, ragasztó szalagok Egy példa a légzés hatásának csökkentésére Emlő besugárzások az egyik legkomplikáltabb feladat ellenoldali emlő rögzítése karok pozíciója
VÁKUUM PÁRNA
VÁKUUM PÁRNA ELKÉSZÍTÉSE
VÁKUUM RÖGZÍTŐ
RÖGZÍTÉS MEGSZILÁRDULÓ ANYAGGAL
LÉGZÉS HATÁSÁNAK CSÖKKENTÉSE
II. Képalkotás A terápiás célból történő képalkotás a következő célokat szolgálja • • •
A Target (TU) és a rizikószervek a tervezés alapja 3D beteg -modell sugárirányok kiválasztása A dózisszámítás CT-képeken alapul. DVH-k ábrázolhatók a TU-ra és a rizikószervekre A 3D-anatómiai modell a beteg pozícionálásnak a kezelés előtt is alapja
Általában a 3D-modell alapja CT. A funkcionális képekalkotók (MRI, PET, SPECT) a tumor meghatározásban hasznosak, mert láthatóvá teszik a tumor mikroszkópikus kiterjedését.
1. Komputer tomográfia (CT) 2. Képalkotás mágneses rezonanciával (MRI). 3. Nukleáris Medicina módszerek SPECT (Single Photon Emission Tomograph) PET (Positron Emission Tomograph)
III. Tumor Lokalizáció A képeken – tervezés előtt – be kell jelölni kül. struktúrákat – – –
Mely struktúrák fontosak? Hogyan lehet ezeket körvonalazni? Hogyan kombinálhatók kül. modalitások?
1. Volumen definíciók Két fontos struktúra a tervezéshez – Target volumen – Rizikószervek (OAR – Organ at Risk) ICRU Report 50 (1993) és ICRU Report 62 (1999) (International Commission on Radiation Units and Measurements)
GTV, CTV, PTV – GTV – a képalkotón jól látható tumor – CTV – GTV + mikroszkópikus kiterjedés – PTV – CTV + beállítási és szervmozgás okozta bizonytalanság
FONTOS STRUKTÚRÁK
ICRU DEFINÍCIÓK
2. Kép-szegmentáció Szegmentáció – az a folyamat, amellyel megkülönböztetjük a releváns struktúrát/térfogatot a környezetétől. 1 szelet – 2D szegmentáció 1-nél több szelet – 3D szegmetáció
Szegmentáció a besugárzás tervezéshez – – –
a PTV a rizikószervek a testkontúr
Manuális szegmentáció Félautomatikus szegmentációs algoritmus Automata szegmentációs algoritmus A szegmentációs algoritmusok két csoportja Régió-alapú algoritmus (azonos értékeket keres) Él-detektáló algoritmus (hirtelen változást keres)
3. Kép regisztráció Különböző képalkotó modalitások képsorozatai CT, MRI, PET, SPECT A különböző képelemeket (pixeleket) meg kell feleltetni egymásnak. Regisztráció: azok a módszerek, melyekkel ez a megfeleltetés (transzformáció) megtörténik. Pl. legalább 3 összetartozó pontpár transzformációs mátrix kiszámítása korreláció két szekvencia között. Manuális regisztráció: a felhasználó közreműködésével. Félautomatikus regisztráció: a felhasználó részleges közreműködése. Automatikus regisztráció: nem kell a felhasználónak beavatkozni. A transzformáció érvényességi határa: globális vagy helyi Geometriai jellemzők: merev – rugalmas transzformáció Képfúzió: a regisztrált szekvenciák egyidejű megjelenítése.
EGYIDEJŰ MEGJELENÍTÉS
RÉSZLEGES RÁVETÍTÉS
TELJES RÁVETÍTÉS
IV. 3D Besugárzás Tervezés A tervezés célja: megtalálni az optimális tervet. Alapja: a 3D páciens anatómia. - segítségével megtalálhatóak az optimális mezőirányok - a mező-alakok pontosan a tumor formájára alakíthatóak (dózis minimalizálás a környező egészséges szövetekben) - pontosan kiszámítható a fizikai dózis-eloszlás A 3D páciens modell előállítása - 3D tomografikus képalkotók (CT,MR,PET) - 2D szeletet 3D (image cube) 3D Model
3D beteg modell
3D navigáció
- Az összes kontúr berajzolása után 3D modellbe (interpoláció)
transzformáció
A Sugárterápiás Tervezési Ciklus - a dózist a target volumen-re kell koncentrálni, több mezőt (sugárnyalábot) alkalmazni - tumorban: mezők összegződnek - egészséges szövetben: toleranciaszint alatt tartható
3D modell felépítése
Izodózis eloszlások
A TERVEZÉSI CIKLUS CT, MR és PET képsorozatok Tumor, target volumen és rizikószervek definíciója Kezelési paraméterek definíciója Virtuális terápiás szimuláció Optimalizálás
Dózis számítás A dózis eloszlás kiértékelése A páciens kezelése
1. A kezelési irányok kiválasztása - Ismerni kell a térbeli viszonyt a target és a rizikószervek között! - Fő kritérium: a mező (nyaláb) teljesen tartalmazza a target volument, és egyáltalán ne tartalmazzon rizikószervet.Ha nem teljesíthető, akkor minimalizálni kell a rizikószerv nyalábba eső térfogatát. Eszközök: Beam's Eye View (BEV) (Sugárnézet) A sugárforrás irányából nézünk a 3D felületi modell felé Beam’s Eye View
Interaktiv
Beam’s Eye View
Beam's Eye View
Beam's Eye View BEAM 1
BEAM 2
BEAM 3
Beam's Eye View BEAM 1
BEAM 2
BEAM 3
Beam's Eye View BEAM 1
BEAM 2
BEAM 3
Beam's Eye View
- Observer's View (Megfigyelő nézet) tetszőleges irányból szemléljük a nyalábokat
Observer’s View
Observer’s View
Elősegíti minimalizálni azt a térfogatot, ahol az egyes nyalábok átfedik egymást - Spherical View (Gömbi nézet)
Spherical View
Observer’s View
Observer’s View
Gömbi nézet
3. További kezelési paraméterek Eddig nyaláb irányok és mező kontúrok (alak) További fontos paraméterek: - Sugárzás típusa: fotonok - általában elektronok - felületi, felület közeli tumorok protonok, nehéz ionok - Sugárzás energiája, sugárminőség - Sugármódosító eszközök kiválasztása blokkok, ékek, kompenzátorok, dinamikus kollimátorok szerepük: a 3D-s dóziseloszlás a lehető legjobban kövesse a tumor alakját
3. Dózis számítás - Egy dózis számító algoritmus kiszámolja a tervezés során definiált nyalábok alkalmazása esetén várható dózis-eloszlást. 4. A besugárzási tervek kiértékelése Általában ugyanarra a problémára több terv készül feladat: a legjobb terv kiválasztása A dózis eloszlás kvalitatív kiértékelése Biológiai modellek: TCP, NTCP Forward tervezés, inverz tervezés
Hagyományos és „inverz” tervezés
- Térbeli dóziseloszlás: izodózis felületek - Izodózis eloszlás szeletről-szeletre: izodózis görbék, vonalak, color wash - Dózis-Volumen-Hisztogramok DVH - a 3D dózis eloszlás ábrázolásának egy módja A kumulatív DVH-k azt mutatják meg, hogy egy struktúra térfogatának mekkora része kapja meg a dózis egy adott százalékát, és viszont
3D izodózis megjelenítések
2D izodózis megjelenítések
Dózis-Volumen Hisztogram
V. A páciens pozícionálása A pozícionálás alapvető fontosságú. A beteget, v. tartományt fixálni és rögzíteni. Pozícionálni a besugárzó eszköznél. 1. lépés: A beteghez rögzített koordináták megadása.
2. lépés: Képalkotás. A tervezés alatt ált. a target pont megadása beteghez rögzített koordináta rendszerben.
3. lépés: Pozícionálás a besugárzó eszköznél. (A target pontot az izocenterbe kell mozgatni.)
Beteghez rögzített koordináta-rendszer
Beteghez rögzített koordináta-rendszer
Sztereotaxiás pozícionálás
Pozícionálás a kezelő eszköznél
Pozícionálás a kezelő eszköznél
2. Port filmek és elektronikus portok Film: ellenőrizni a repozícionálást a képalkotás és kezelés között, ill. frakcióról frakcióra. Elektronikus portok (EPID): valósidejű képek, gyors ellenőrzés a repozícionáláskor (akár minden fr. előtt) Fajtái: Fluoroszkópikus rendszerek – kamera Ionizációs kamra-sorozatok
Külső markerek alapján a poz. néha pontatlannak bizonyul páciens anatómiai pontok a kezelés előtt. Összevetni: Szimulációs felvétel Port felvétel DRR Port felvétel
A Beamview-rendszer
Röntgen felvételek és portok
VII. A kezelés A. Készülékek 1. Lineáris gyorsítók (linac) Alapötlet: elektronokat gyorsítani hullámvezetőben haladó elektromágneses hullámok mezejében. Egy elemi gyorsító működése: röntgencső
A 10 MV nagyságú feszültség elektromos szigetelési problémát, vagy nagy méretet eredményez. Nagyfeszültség helyet több egymás utáni kisebb elektr. mező. (Ezek előállítása mikrohullámmal).
Linac
Az elektron sebességének növekedése
Az elemi gyorsító működési elve
Mikrohullámú üregek elektron oszcilláció a falban gyorsítás az üregben (apertúra)
Haladó-hullámú gyorsító: negyed hullámhossz hosszúságú mikrohullámú üregek sorozata.
10 MeV elektronnyaláb 125 cm-es gyorsítócső Nagyobb energiáknál állóhullámú gyorsítócső
Elektron gyorsítás elve
Haladó hullámú gyorsítás
Haladó hullámú gyorsítás
Gyorsító cső metszete
Állóhullámú gyorsító: ha az RF energia a végeken visszaverődik, álló hullám alakulhat ki Az üregek negyed hullámhossz hosszúságúak Minden második üregben a mező mindig 0, a nyaláb tengelyétől eltávolíthatók. (Rövidített haladó hullámú gyorsítócső.)
2. A gyorsítók főbb részei structure – gantry. Ezekben helyezkednek el a főbb részek. RF forrás (magnetron vagy klystron), modulator, circulator, hullámvezetők, elektron ágyú, AFC rendszer, hűtő rendszer, gáz rendszer, vákuum rendszer. a fej részei: bending mágnes, target, primer kollimátor, flattening filter, monitor kamra, szekunder kollimátor.
Álló hullám generálása
Álló hullámú gyorsítás
Rövidített álló hullámú cső
Rövidített álló hullámú cső
Rövidített álló hullámú cső és metszete
3. A multi-leaf collimator (MLC) A sugárterápiás gyakorlatban gyakran szükséges szabálytalan alakú mezők előállítására. Két lehetőség: mező formálás blokkal multi-leaf kollimátor(MLC) alk. Integrált MLC-k: gantry-be épített eszközök közepes és nagy mezők (40x40 cm2-ig)
Kiegészítő (accessory típusú) MLC-k: pl. sztereotaxia kis mezők (10x10 cm2), mikro-MLC-k
Integrált MLC
Kiegészítő micro-MLC
Kiegészítő micro-MLC
Kiegészítő micro-MLC
Mező alakok micro-MLC-vel
Fontos jellemzők Maximális mezőméret – 40x40 cm2, 10x10 cm2 Leaf szélesség – 1 cm, 2-3 mm Maximális overtravel Milyen messze lehet túlhúzni a középvonalon Működési mód Sztatikus: Dinamikus:
Fókuszálási tulajdonságok és félárnyék A félárnyék függ a forrás méretétől és a forráskollimátor távolságtól Cél: éles dózis gradiens, azaz keskeny félárnyék (penumbra)
MLC sztatikus módban
MLC dinamikus módban
B. Kezelési eljárások (konformális sugárterápia) 1. Konvencionális (klasszikus) konformális RT Alapprobléma: - PDD a mélység exp. csökkenő függvénye - a dózis a felszín közelében nagyobb, mint a tumor mélységében Megoldás: - több mező alkalmazása - mezőalakokat illeszteni a tumorhoz ekkor a dózis eloszlás konformitása növekszik Konformitás: - a 3D dózis eloszlás kövesse a 3D tumor alakot, ugyanakkor a rizikószervek legyenek kímélve.
Többmezős besugárzás
Hogyan lehet jó konformitást elérni? Nyalábok számának növelése. Sugárirányok optimalizálása. Energia optimalizálása (fotonok). MLC alkalmazása. Az MLC-leafek vastagságának csökkentése. Több target pont alkalmazása. Mozgó mezős besugárzások. A konvencionális konformális RT határai A konformális és homogén dózis eloszlást nem mindig lehet elérni - Nem találunk elég sok jó irányt. - Túlzottan nagy a mezőszám, mező-átfedések.
Micro-MLC
Tumor és rizikószervek
Sokmezős besugárzás
2. Intenzitás Modulált RadioTerápia (IMRT) Megoldás: IMRT-technika Lényege: intenzitás modulált mezőket generálni, és ezekkel végezni el a kezelést (Az ábra egy 7 mezős elrendezést mutat, az egyik intenzitás mudulált mező kinagyítva is látható). Hogyan állítsuk elő az ilyen mezőket? Step-and-Shoot technika (egymásra rakunk szabálytalan alakú, egymást részben átfedő mezőkomponenseket) Sliding Window technika, v. dinamikus MLC (egymástól függetlenül, kül. sebességgel mozgó leafek, sugárzás alatt) Fizikai kompenzátorok (abszorber anyag)
Az IMRT elve
Intenzitás modulált mezők
Step-and-Shoot technika
Dinamikus MLC technika
a, Step-and-Shoot technika (sztatikus technika, Bortfeld-Boyer technika) Általában az intenzitás modulált mezőket szabálytalan alakú, egymást részben átfedő homogén mező-komponensekből lehet összetenni Terminológia: intenzitás-térkép, csatorna, intenzitásszint, mező-komponens (almező, szegmens) Close-in technika (bekerítés) Sweep technika (átseprés) Close-in: a leaf-ek mindkét irányban mozognak Sweep: a leaf-ek csak az egyik irányban (pl. balról jobbra) mozognak
Step-and-Shoot Close-in technika
Elnevezések az IMRT technikában
Step-and-Shoot Close-in technika
Step-and-Shoot Close-in technika
Egy leaf-pár mozgása
Step-and-Shoot Sweep technika
Step-and-Shoot Sweep technika
Step-and-Shoot Sweep technika
Egy leaf-pár mozgása
Step-and-Shoot Close-in és Sweep technika
b, Dinamikus technika
A Sweep technika határesetének tekinthető Leaf-pozícióban igen nagy pontosság kívánatos
+
−
Rövidebb kezelési idő Komplex, bonyolult Nincsenek kis dózisú mezők Verifikáció is c, Fizikai kompenzátorok Kompenzátor: váltakozó vastagságú sugárelnyelő anyag. Az egyes vastagságokat úgy választják meg, hogy az előírt intenzitást adják.
Dinamikus IMRT technika
Kis beállítási hiba – nagy dózis eltérés
Fizikai kompenzátor
Fizikai kompenzátor
Néhány sajátosság: - Minden intenzitás-térkép - külön kompenzátor (munkaigényes) - Divergencia - rétegekre bontani - Nagy térbeli felbontás
- Gyorsabb, mint a step-and-shoot (kezelési idő) - MLC nem szükséges - Alacsony olvadáspontú ötvözet
VII. Klinikai Dozimetria 1. Alapfogalmak A dózis def: az elnyelt dózis az m tömegű anyag dm tömegeleme által elnyelt energia osztva a tömeggel (Gy – Gray)
Klinikai dozimetriában víz vízben elnyelt dózis Sugárzások típusa: hullám v. részecske a radiológiában kétfajta sugárzás (részecske) játszik szerepet - fotonok: röntgen, vagy gamma-sugárzás, energia keV-tól felfelé, zéró nyugalmi tömeg - elektronok: nem zéró nyugalmi tömeg, negatív töltés, elektronpályák vagy magátmenet (béta-sugárzás)
Sugármező: a térnek az a tartománya, ahol sugárnyaláb (részecskék) található Fluxus sűrűség: a nyaláb tengelyére merőleges felületen egységnyi idő alatt átmenő részecskék száma / felület Fotonok és elektronok energia-átadása Fotonok: - fotoelektromos effektus - Compton effektus - Párképződés Ezen folyamatok során szekunder elektronok, melyek újra kölcsönhatnak az anyaggal Elektronok: - ütközés anyag atomjaival és elektronjaival - sugárzásos folyamatok (fékezési sugárzás keletkezése) A héjelektronokkal való rugalmatlan ütközések az atom gerjesztéséhez, ill. ionizációjához vezetnek
Fotoelektromos effektus
Compton-effektus
Párkeltés
2. A dózis mérése Különböző fizikai és kémiai effektusokat használunk fel Ionizáció gázban
Ionizáció szilárd anyagban Lumineszcencia Kémiai effektusok Termikus effektus
ionizációs kamra proporcionális számláló Geiger-Müller számláló félvezető kristályok TLD fotografikus film kémiai doziméterek kaloriméter
Abszolút dózismérés Farmer-típusú ionizációs kamra + vízfantom 1. Beállítás 2. Elektrométer 3. Mérés 4. Számítás 5. Korrekciók 1. Beállítás 2. Elektrométer 3. Mérés 4. Számítás ND,w – kalibrációs faktor, SSDL ref. felt. 5. Korrekciók k = kρ·ks ·kp ·kQ pl. Relatív dózismérés
Kamra beállítása vízfantomban
Az elektrométer csatlakoztatása
Mérés az elektrométerrel
Kontroll-forrás sűrűségkorrekcióhoz
Levegősűrűség-korrekció
3. Fantomok Az abszorbeáló anyag valamilyen geometriáját fantomnak nevezzük Standard fantomok Vízfantom: TBA (Therapy Beam Analyzer) Anatómiai fantomok: Alderson-Rando fantom IMRT fantomok 4. Dózis verifikáció Egy új kezelési módszer bevezetésekor meg kell győződni arról, hogy valóban a terv valósul-e meg Lépései: a, Virtuális kezelés fantommal (tervet átültetni a fantomra) b, A fantom besugarazása mérés c, A terv és a mérés (megvalósulás) összevetése
Standard fantom
Vízfantom
Alderson-Rando fantom
IMRT fantom
Terv és mérés összevetése
