un piano di trattamento per fasci di ioni carbonio ...sirr.casaccia.enea.it/congressi...
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Un piano Un piano didi trattamentotrattamentoper per fascifascididi ioniioni carboniocarbonio: : ottimizzazioneottimizzazione
delladelladose dose efficaceefficace
V.Monaco1,2, A.Ansarinejad1,2, A.Attili 1, F.Bourhaleb2, R.Cirio1,2, M.Donetti3, A.Garella1, N.Givehchi1,2, S.Giordanengo1, F.Marchetto1,2, J.Pardo1, A.Pecka2, C.Peroni1,2, I.Rinaldi 2, G.Russo1,2, R.Sacchi1,2
(1) INFN, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, sezione di Torino(2) Università degli Studi di Torino (3) CNAO, Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica
XIV Convegno Nazionale S.I.R.R., Trieste 24-27 giugno 2008
TerapiaTerapiacon adronicon adroni
Adroni:
Profilo longitudinale di dose con massimo al picco di Bragg (posizione del picco dipendente dall’energia iniziale).
Elevata selettività longitudinale.
12C vs p:
• maggiore efficacia biologica relativa (RBE)
• minore dispersione laterale(elevata selettività trasversale)
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PSIFotoniProtoniIoni carbonioSOBP protoniSOBP carbonio
TerapiaTerapiacon con 1212C (C (problematicheproblematiche))Frammentazione nucleareattenuazione degli ioni primari e produzione di frammenti;
il profilo di dose si estende oltre il picco di Bragg.
Vantaggio:produzione di nuclei radioattivi β+
(in-beam PET per monitoraggio dose)
Effetto biologico
La RBE dipende in modo non lineare dalla dose, dal LET, dall’energia e dal tipo di particella, dal tessuto, etc.Nella pianificazione del trattamento non è sufficente ottimizzare la dose fisica. E’ necessario ottimizzare l’effetto biologico. Y.Furusawa et al., Rad.Res. 154 (2000)
Sion
XS D
DRBE =
3He
12C
20Ne
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SistemiSistemididi scansionescansionedel del fasciofascio
Volume di trattamento suddiviso in voxel e in sezioni in cui si localizzano i picchi diBragg per energie del fascio fissate.
Scansione ripetuta su ogni sezione.Energie del fascio via via decrescenti finoa coprire l’intera regione di trattamento.
V.Monaco XIV ConvegnoSIRR 2008, TriesteDepth [0.01 mm]Depth [0.01 mm]
Dos
e [
Dos
e [ a.
ua.
u .].]
Treatment Planning System (TPS)Treatment Planning System (TPS)CT, MRI, PETInformazione 3D su
densità tessutivolumi di trattamento (PTV)
Prescrizione dose
TPSTPS(ottimizzazione dose/
effetto biologico)
Output:l →→→→ indice fascioΦΦΦΦl →→→→ fluenzaEl →→→→ energia cineticaθθθθl →→→→ direzione
Modelli fisici di interazione 12C-tessuti
(DB da simulazioni Monte-Carlo)
Effettobiologico
Output:Curve iso-dose, sopravvivenza,DVH
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EffettoEffetto biologicobiologico
Sopravvivenza cellulare totalive NNS /=
Parametrizzazione lineare-quadratica
ln(S) = - αααα D - ββββ D2
WK Weyrather, G.Kraft, Radiother.Oncol. 73-2 (2004)
lethNS −=)ln(
Per il TPS necessari tabelle di αααα e ββββ per diverse energie del fascio primario in funzione della profondità e per diverse linee cellulari.
da misure di sopravvivenza
modello radiobiologico
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Local Effect Model (LEM)Local Effect Model (LEM)M.Sholtz, G.Kraft, J.Adv.Space 18 (1996)
ASSUNZIONI E INPUT LEM:ASSUNZIONI E INPUT LEM:
Effetto biologico dovuto alla distribuzione di dose dei singoli ioni nel nucleo.• Distribuzione di dose locale d(r)di una
traccia (dipendente da Ek , LET, A)• Dimensioni del nucleo
Effetto biologico della dose locale (a scalananometrica) indipendente dal tipo di radiazione• Risposta cellulare a raggi-X (ααααX,ββββX)
2))(ln( DβDαDSN ionionionleth ⋅+⋅=−=
RaggiRaggi XX IoniIoni carboniocarbonio
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OUTPUT:OUTPUT:
EsempioEsempiodidi calcolocalcoloLEMLEMSimulazione Geant4 ioni carbonio in H2O
MeV/u (0) 130=kE
mm 42=z
Lista (Ek, LET, A, posizione)particelle a profondità z
CHOααααX = 0.228 Gy-1
ββββX = 0.0185 Gy-2
SSion =
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ααααion= 0.580 Gy-1
ββββion = 0.0083 Gy-2)exp()( 2DβDαDS ionionion ⋅−⋅−= Sion
XS D
DRBE =
RBES
Tabelle per TPSTabelle per TPS
MeV/u (0) 130=kE MeV/u (0) 130=kE
acquain ),( , ),( eq(0)
eq(0) RERE kionkion ββββαααα acquain fluenzadi unita'per dose eq
(0)(o)
RED k ,
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2DD αS ⋅+⋅=− ββββ )ln(
Sopravvivenza con campi mistiSopravvivenza con campi misti
2121 SSS ⋅≠+
221 )ln( Dβ D αS +=− +
21 D DD +=21
2211DD
DαDαα
++=
( )( )221
22211
DD
DβDββ
+
+=
Verificato con il LEM
∑ ∑
+=−
i i
iiii DβDα(S)
2
lnSu N fasci sovrapposti
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TPSTPS -- notazioninotazioni
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i - indice voxel
l - indice beam
(0)ilD - dose/fluenza beam l
su voxel i
Notazioniρρρρi - densità voxel (da CT)
El - energia beam
ααααil, ββββil - parametrizzazioni LQ
Parametri liberiΦΦΦΦl – fluenze beam
RayRay--tracingtracingApprossimazione lunghezza d’acqua equivalente
∑=
→i
i'i-eqi' Rd
1
(CT) HU i
Determinazione energia del beam l (picco di Bragg al centro del voxel).
ll ER ↔eq-tabelle calcolate in acqua
Determinazione dose/fluenza in ogni voxel per beam l.
)()( eq-i(0)||
eq-i(0)(0) ⊥
⊥⋅= REDREDD llil ,,
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tabelle calcolate in acqua
Ottimizzazione biologica (esempio 1D)Ottimizzazione biologica (esempio 1D)
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),( , ),(
DB Tabelle
eq(0)
eq(0) RERE ionion ββββαααα
2
∑ ∑
+=−=
l lillilillili
lethi
ilil
DβDαSN (0)(0)ΦΦ)ln(
ββββαααα ,
l
lilli DD
Φliberiparametridaidipendente
i) su voxel tot.(dose Φ(0)∑=
Le fluenze ΦΦΦΦl sono determinate in modo tale la sopravvivenza sia quella richiesta.
2∑
−⋅
i
(obj)i
lethi NNw i
Funzione obiettivo da minimizzare:
OttimizzazioneOttimizzazionebiologicabiologica(1D)(1D)
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DRBED Sbio ⋅=
FlussoFlussodidi lavorolavoro
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Sviluppato prototipo con un insieme limitato di tabelle nei DB.
Prototipo applicato su volumi semplici.
EsempioEsempio3D3D
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Matrice 5x5x5 in acqua
EsempioEsempio3D3DOttimizzazione simultanea su 5 campi
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ProgettoProgetto TPSTPS--INFNINFN
Scopo:sviluppo di un sistema per piani di trattamento con fasci adronici in collaborazione con partner commerciale.
Alcuni dei punti da sviluppare:
• Tecniche di ottimizzazione numerica
• Misure e modelli di frammentazione nucleare
• Misure e modelli radiobiologi
• Strumenti Monte-Carlo
• In-beam PET per monitoraggio dose
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RISERVE
Validazione LEM (1)
Validazione LEM (2)
Validazione LEM (3)
Req(peak) vs Energy
Frammentazione