un piano di trattamento per fasci di ioni carbonio ...sirr.casaccia.enea.it/congressi...

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)

V.Monaco XIV Convegno SIRR 2008, Trieste

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


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


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


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

V.Monaco XIV ConvegnoSIRR 2008, Trieste

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 =


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 ,


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


TPSTPS -- notazioninotazioni


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 ,,


tabelle calcolate in acqua

Ottimizzazione biologica (esempio 1D)Ottimizzazione biologica (esempio 1D)


),( , ),(

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)


DRBED Sbio ⋅=

FlussoFlussodidi lavorolavoro


Sviluppato prototipo con un insieme limitato di tabelle nei DB.

Prototipo applicato su volumi semplici.

EsempioEsempio3D3D


Matrice 5x5x5 in acqua

EsempioEsempio3D3DOttimizzazione simultanea su 5 campi


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


RISERVE

Validazione LEM (1)

Validazione LEM (2)

Validazione LEM (3)

Req(peak) vs Energy

Frammentazione

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