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Ruolo del Tecnico nel contouring e nella fusione di immagini
Ruolo del Tecnico nel contouring e nella fusione di immagini. Esperienza del nostro Centro Maurizio Bertodatto Ospedale Civile di Ivrea S.C. di Radioterapia Torino maggio 2015 Ieri come oggi • Si dava indicazione sulla base di un esame istologico • Si informava il paziente del rischio dovuto alla esposizione ad alte dosi • Si usavano radiazioni ionizzanti a elevata energia • Si usavano dei collimatori per focalizzare il fascio radiante • Si cercava di alleviare i sintomi legati agli effetti collaterali delle radiazioni Introduzione ..ma non si riusciva a risparmiare in modo adeguato dall’irradiazione i tessuti sani e questo portava ad una limitazione della dose erogata al tumore Introduzione Organi a rischio (OAR): tutti quei tessuti sani, interposti tra il fascio radiante e il volume tumorale, che idealmente non vorremmo irradiare e la cui presenza limita fortemente la dose erogata al tumore Introduzione Un po’ di storia…. 1895: Wilhelm Konrad Röntgen scoprì i Raggi X e quasi contemporaneamente venne dimostrato che la cute ad essi esposta andava incontro a dermatite. 1896: Antoin Henri Bequerel scoprì la radioattività naturale dell’uranio 1898: i cuniugi Curie scoprirono le proprietà radioattive del radio e del polonio. 1896-1899: il medico di Chicago Emil Grubbe trattò, per la prima volta, con le radiazioni una paziente affetta da tumore al seno. 1901: Henri Becquerel e Pierre Curie intuirono che le radiazioni emesse dal radio avevano proprietà di interazione simili a quelle dei raggi X. Un po’ di storia…. Agli inizi de XX sec. (e fino al 1935) si riteneva che le radiazioni ionizzanti naturali avessero addirittura proprietà “rinvigorenti” e battericide Un po’ di storia…. Un po’ di storia…. 1903: si riconobbe che l'esposizione ai raggi X induceva sterilità nelle cavie animali. 1904: si segnalarono le prime anemie e le prime leucopenie dovute ad una esposizione eccessiva ai raggi X. 1920: si descrissero le lesioni tumorali dovute a incorporazione di sostanze radioattive. Anni ’20: H. J. Muller dimostrò che i raggi X e i raggi gamma causavano mutazioni geniche e cromosomiche che potevano essere trasmesse alla progenie. Un po’ di storia…. 1955: Tzuzuki osservò che tra i sopravvissuti ai bombardamenti di Hiroshima e Nagasaki si erano osservati diversi casi di leucemia. Negli anni seguenti si notò l'aumento della frequenza di altre forme tumorali maligne nei sopravvissuti. 1957: Brown e Doll notarono un aumento della frequenza di leucemie tra le cause di morte di pazienti trattati con röntgenterapia per patologie non tumorali. Attorno al 1960: vennero fatte le prime stime circa le probabilità di ammalarsi di tumore maligno radioindotto in seguito all'assorbimento d'una dose unitaria di radiazioni sul corpo intero. Esisteva quindi una proporzionalità tra dose e probabilità di effetti tardivi. Un po’ di storia…. …… per quanto riguarda la Radioterapia? Un po’ di storia…. Nel 1991 Emami e collaboratori pubblicarono un articolo in cui e’ stata rivisitata in modo esaustivo la dose di tolleranza dei tessuti sani basandosi su un’ampia review di letteratura. In tale articolo si correlava la dose che determinava un rischio di complicanze pari al 5% (TD5/5) ed al 50% entro i 5 anni (TD50/5) con la frazione di tessuti sani irradiata (1/3, 2/3 o l’intero organo). Le casistiche di riferimento comprendevano pazienti trattati con tecniche 2D. Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello Un po’ di storia…. Grazie a continui studi è stato possibile quindi individuare dei cut off di dose riferiti a volumi di OAR (constraints) oltre i quali gli effetti collaterali tardivi si presentano con una maggiore frequenza. Negli ultimi venti anni l’uso dell’istogramma dose volume (DVH), disponibile nella pianificazione 3D, ha consentito la quantificazione accurata della percentuale di volume di tessuto che riceve una determinata dose. Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello Un po’ di storia…. Danni da Radiazioni Danni somatici deterministici: • la frequenza e la gravità variano con la dose • è individuabile una dose di soglia • il periodo di latenza è solitamente breve Danni da radiazioni Danni somatici stocastici: • non richiedono il superamento di una dose-soglia per la loro comparsa • sono di tipo probabilistico • la frequenza della loro comparsa aumenta con la dose • hanno lunghi periodi di latenza • la loro gravità non dipende dalla dose ricevuta Danni genetici stocastici: • si manifestano nella progenie degli individui irradiati Danni da radiazioni …… per quanto riguarda la Radioterapia? Danni Acuti Possono insorgere nel corso della radioterapia o entro 90 giorni dal suo termine TENDONO AD ESSERE REVERSIBILI Danni da radiazioni …… per quanto riguarda la Radioterapia? Danni Tardivi Possono insorgere da 3 mesi sino a molti anni dopo la fine della radioterapia TENDONO AD ESSERE IRREVERSIBILI Danni da radiazioni L’evoluzione tecnica e tecnologica delle apparecchiature dedicate alla Radioterapia ha notevolmente ridotto il rischio di danni ai tessuti sani Danni da radiazioni Ortovoltaggi Cobalto Danni da radiazioni Cobalto LINAC Danni da radiazioni LINAC LINAC multileaf Danni da radiazioni LINAC multileaf LINAC multileaf+IGRT Danni da radiazioni LINAC multileaf+IGRT Tomoterapia Danni da radiazioni Profili e imaging 2D Danni da radiazioni Imaging 3D Danni da radiazioni Potenza di calcolo Danni da radiazioni Schermi standard Danni da radiazioni Schermi personalizzati Danni da radiazioni Collimatori Multileaft Danni da radiazioni TSRM 1918 2015 Danni da radiazioni Tutto ciò ha portato a una “escalation” di dose con una inevitabile rishiesta dell’aumento della precisione Danni da radiazioni La radiosensibilitά Radiosensibilitά: suscettibilità di tessuti normali o patologici a subire l’azione delle radiazioni α, β, γ e X. La radiosensibilità Esistono organi : • Fortemente radiosensibili (occhio, ovaio, testicolo) • Mediamente radiosensibili (intestino tenue, cuore, polmone) • Poco radiosensibili (ossa, muscoli, grossi vasi) Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello La radiosensibilità Alcuni organi sono responsabili di funzioni vitali e per tale motivo devono mantenere la propria funzionalità dopo il trattamento radiante (tronco cerebrale, midollo, polmone, cuore) Altri assicurano funzioni non vitali ma la loro preservazione permette di mantenere una buona qualità della vita dopo il trattamento (ghiandole salivari, intestino, occhio, ossa) Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello La radiosensibilità Ogni organo va considerato come costituito da sottounità dotate di un’organizzazione particolare: Organi con strutture in serie (midollo, tubo digestivo, nervi): la distruzione di una sotto-unità dell’organo altera tutta la funzione di quest’organo (come l’anello di una catena). Una dose elevata su un piccolo volume è pertanto tossica Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello La radiosensibilità Organi con strutture in parallelo (polmone, rene, fegato, parotide): l’organo è costituito da sotto-unità indipendenti tra loro. La funzione dell’organo è alterata quando un certo numero di sotto-unità vengono distrutte. L’organo magari nel suo insieme è molto sensibile all’irradiazione, ma una dose elevata su un piccolo volume è tollerabile Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello La radiosensibilità Organi con strutture in serie-parallelo (coronarie, miocardio, retto): La radiosensibilità Tutti i tessuti “tollerano” le radiazioni ionizzanti sempre allo stesso modo? Esistono delle variabili che generalmente sono correlate al: • Trattamento • Ospite • Organo Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello La radiosensibilità Variabili correlate al trattamento • Frazionamento • Dose totale • Dose rate • Tempo complessivo di trattamento Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello La radiosensibilità Variabili correlate al trattamento • Energia del trattamento • Volume di trattamento • L’utilizzo di una chemioterapia concomitante, radioprotettori o altri modificatori biologici • L’intervallo tra i cicli di radioterapia in pazienti che devono essere sottoposti a un secondo ciclo di trattamento radiante Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello La radiosensibilità Variabili legate all’ospite • Co-morbidità (ad esempio diabete e patologie vascolari) • Risposta dell’ospite alle radiazioni e l’età del paziente Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello La radiosensibilità Variabili correlate all’organo • Compromissione irradiato o perdita della funzionalità di un organo pre- • Sviluppo di tossicità acuta severa • Variazioni anatomiche di radiosensibilità all’interno di un organo • Organizzazione gerarchica dell’organo (se il danno colpisce solo una parte dell’organo o tutto l’organo) Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello La radiosensibilità Dose di tolleranza La dose di tolleranza agli OAR puo’ essere formulata come: D max di X Gy significa che la dose massima erogata all’organo deve in ogni punto dell’organo essere inferiore o uguale a X Gy Esempio, per il midollo spinale D max di 45 Gy significa che nessuna porzione del midollo deve ricevere più di 45 Gy. Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello Dose di tolleranza La dose di tolleranza agli OAR puo’ essere formulata come: Vx ≤ Y % dove la dose di X Gy ( Vx ) non deve essere erogata in più del Y% di volume dell’OAR Esempio: il polmone V20 ≤ 35%, che significa che la dose di 20 Gy non deve essere erogata in più del 35% del volume polmonare (sano o funzionale). Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello Dose di tolleranza L’ Istogramma Dose Volume (DVH) è attualmente, grazie alle dosimetrie in 3D, il metodo più completo per descrivere la dose di tolleranza agli OAR Da Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello Dose di tolleranza Contouring organi a rischio Contouring organi a rischio Per calcolare la dose che gli OAR ricevono essi devono essere individuati e segnalati al sistema preposto per il calcolo. Contouring organi a rischio Esitono diversi softwares dedicati al contouring (Oncentra Anatomy, Pinnacle, Eclipse etc.)……………………….. Contouring organi a rischio Su tutte le immagini TAC (fatte senza mdc), mediante un opportuno software, si contornano le strutture che si vogliono risparmiare dalla irradiazione aggiungendo eventualmente un margine che tenga conto dell’incertezza della loro posizione e movimento. Contouring organi a rischio Alcuni organi modificano le loro dimensioni per ragioni fisiologiche Contouring organi a rischio … altri le modificano per “contingenze anatomiche”… Contouring organi a rischio … altri non le modificano affatto Contouring organi a rischio Contouring organi a rischio Contouring organi a rischio Contouring organi a rischio Contouring organi a rischio Contouring organi a rischio Su tutte le immagini TAC, mediante software dedicato, si contornano quei volumi anatomici (Volumi Bersaglio) che si vogliono irradiare aggiungendo eventualmente un margine che tenga conto dell’incertezza della loro posizione e movimento. Contouring organi a rischio • Il volume tumorale visibile macroscopicamente (Gross Tumor Volume – GTV) • Un volume che include un margine di sicurezza per l’infiltrazione microscopica della malattia (Clinical Target Volume – CTV) • Un volume ancora più ampio che include i margini di sicurezza per il movimento degli organi e l’incertezza nel riposizionamento del paziente a ogni seduta di trattamento (Planning Target Volume – PTV). Contouring organi a rischio Di fondamentale importanza è la precisione del contornamento Maggiore è la precisione con cui viene contornata una struttura anatomica più realistica è la stima di dose che viene calcolata Contouring organi a rischio Imaging e fusioni di immagini in Radioterapia L’evoluzione tecnologica ha reso disponibili in campo medico numerose tecniche (tomografiche) di imaging che forniscono informazioni complementari sui tessuti viventi Informazione morfologica Informazione metabolicofunzionale Da Sghedoni-Fioroni: “Fusioni di immagini PET, CT, MR: dalla clinica alle applicazioni avanzate” Imaging e fusione Lo scopo della Fusione di immagine è quello di combinare visivamente le informazioni che provengono da diverse modalità per aumentare le potenzialità documentali di ciascuna di esse Le immagini RM hanno miglior contrasto per i tessuti molli Le immagini CT visualizzano meglio l’osso e forniscono informazioni sulla densità elettronica Le immagini PET contengono informazioni metaboliche La sinergia delle varie modalità permette di superare i limiti di ognuna di esse e arricchisce l’applicazione clinica Da Sghedoni-Fioroni: “Fusioni di immagini PET, CT, MR: dalla clinica alle applicazioni avanzate” Imaging e fusione Per fusione di immagine quindi si intende una tecnica che: • permette, dall’unione di due metodiche di imaging diverse, di fornire informazioni aggiuntive non deducibili dall’analisi delle singole immagini di partenza Da Sghedoni-Fioroni: “Fusioni di immagini PET, CT, MR: dalla clinica alle applicazioni avanzate” Imaging e fusione La Fusione di immagini non crea nuove immagini! Imaging e fusione Tutto ciò si può realizzare (con limitazioni che dipendono in genere dalle metodiche di imaging utilizzate e dai distretti anatomici in esame) solo se le immagini sono: • digitali • in un formato (es. DICOM) che contenga informazioni geometriche delle immagini stesse (dimensione del pixel, spessore degli strati, valore del FOV, etc.) Prima di essere “fuse” le immagini delle due metodiche devono essere CO-REGISTRATE Da Sghedoni-Fioroni: “Fusioni di immagini PET, CT, MR: dalla clinica alle applicazioni avanzate” Imaging e fusione CO-REGISTRAZIONE: processo in grado di creare una relazione tra due datasets di immagini mono o multimodali (es. TC di centratura e altro imaging) grazie alla trasformazione delle coordinate di uno dei due datasets (altro imaging) Co-registrazione Le immagini cliniche possono essere coregistrate in maniera: • Mentale • Hardware • Software Co-registrazione Co-registrazione mentale Gli studi anatomici sono osservati fianco a fianco. Il medico cerca di correlare le due immagini nella sua mente. Ma: • notevole variabilità tra gli osservatori • dipende dall’abilità e dall’esperienza • facile in 2D, complesso in 3D Co-registrazione Co-registrazione hardware La pura registrazione hardware tra immagini multimodali non è possibile, poiché richiederebbe l‘esistenza di un sistema di detezione unico in grado di registrare due tipologie di immagini diverse nello stesso momento. Oggi ciò che si avvicina maggiormente alla registrazione hardware è la PET/TC o la SPECT/TC dove un apparecchio presenta una TC e un sistema di rilevazione (PET o SPECT) accoppiati. Il tipo di registrazione che questi sistemi sfruttano non è basato sulle caratteristiche dell'immagine ma sulla coincidenza spaziale dei due “pacchetti” di dati acquisiti. Co-registrazione Co-registrazione software Un software dedicato registra e fonde a posteriori due set di immagini Se i parametri geometrici dei due esami non cambiano (condividono lo stesso sistema di coordinate) le immagini vengono co-registrate automaticamente dal sistema di elaborazione dei piani di trattamento. Un esempio : TC in bianco + TC con mezzo di contrasto fatte in maniera sequenziale dallo stesso scanner. Co-registrazione Co-registrazione software Se i parametri geometrici dei due esami cambiano (non condividono lo stesso sistema di coordinate) devono essere allineati. Perchè le immagini possano essere ricondotte a parametri dimensionali comuni, è necessario che contengano alcune fondamentali informazioni su: • campionamento tridimensionale • dimensione del pixel • spessore della sezione Co-registrazione Co-registrazione software Poiché i dati vengono acquisiti da apparecchiature differenti (TC, RM, PET) in momenti diversi, l'orientamento delle immagini è spesso sconosciuto. Le immagini devono quindi essere "mappate" voxel per voxel in un sistema tridimensionale di riallineamento tenendo conto di alcuni riferimenti spaziali quali: • fattore scalare • matrice di rotazione • vettore di traslazione Co-registrazione Co-registrazione software La co-registrazione software è: • l’unico metodo che permette di superare problemi tecnici dovuti alla mancanza di apparecchiature ibride • l’unica possibilità in assenza di apparecchiature dedicate • l’unica tecnica che si può applicare «a posteriori» Co-registrazione Metodi di co-registrazione software In base al livello di interazione tra software e operatore si hanno tre tipologie principali di procedure: • Manuale • Semi-automatica • Automatica Co-registrazione Co-registrazione manuale Prevede la sovrapposizione di due esami attraverso un software dedicato in base ai comandi dell'operatore, il quale manualmente sposta i due volumi fino a farli corrispondere. • Procedura estremamente dispendiosa in termini di tempo. • Non può essere applicata se le immagini hanno fattori scalari differenti. Co-registrazione Co-registrazione semi-automatica Si basa sul rilevamento di reperi riconoscibili in entrambi gli esami destinati alla fusione (caratteristiche geometriche). • Markers esterni • Markers interni Landmark Co-registrazione Co-registrazione semi-automatica Markers esterni: si applicano sul paziente alcuni markers di materiale visibile su entrambe le modalità che si vogliono registrare. Grazie a un software gli strati in cui sono visibili i markers vengono fatti corrispondere. Markers interni: in mancanza di riferimenti esterni è possibile registrare le immagini sfruttando la corrispondenza di reperi anatomici. Co-registrazione Co-registrazione automatica (mutua informazione) La differenza principale dagli altri metodi di registrazione consiste nella non dipendenza da punti o forme riportate sull'immagine ma da valori matematici intrinseci nelle immagini. Poiché esami eseguiti con metodiche diverse (ex. TC e MR) descrivono la medesima anatomia, allora deve esistere una “mutua informazione” fra i datasets di immagini Co-registrazione Co-registrazione rigida Qualsiasi trasformazione viene applicata uniformemente ad ogni pixel che costituisce l’immagine. Con la registrazione si riallineano i diversi sistemi spaziali mediante la stima di parametri di trasformazione geometrica: • fattore scala • matrice di rotazione • vettore di traslazione Co-registrazione deformabile Questa tecnica prima allinea aree di analoga densità delle due serie di dati, quindi deforma o “stira” le immagini B per adattarle alla forma dell’immagini A. Co-registrazione FUSIONE DI IMMAGINI: “sintesi, in un singolo datset, di due o più segnali appartenenti a differenti datasets di immagini” Fusione di immagini Limiti La principale difficoltà legata alla fusione di immagini è garantire l’identico posizionamento del paziente durante i vari esami. Il problema della riproducibilità di posizionamento a volte dipende direttamente dall'apparecchiatura utilizzata (es. lettino piano e lettino concavo) Fusione di immagini Applicazioni Cardiologia Radiologia diagnostica Oncologia Radioterapia • corretta valutazione delle aree metabolicamente attive nell'ambito di una lesione • comparazioni tra esami pre e post operatori • maggiore accuratezza nella individuazione degli OAR • maggiore accuratezza nella individuazione dei volumi bersaglio Fusione di immagini Esperienza del nostro Centro Servizio Radioterapia Ivrea Staff Medico : 1 Responsabile del Servizio + 3 Medici Staff Fisico : 2 Fisici Sanitari + 1 Fisico Specializzando Staff Tecnico : 1 Coordinatore + 7 Tecnici di Radiologia Staff Amministrativo : 2 Amministrativi + 1 Ausiliario Esperienza del nostro Centro Apparecchiature 2 Acceleratori Lineari ( Varian – Elekta ) 1 TAC Simulatore 6 Stazioni ONCENTRA Masterplan 1 Stazione Pinnacle 4 Stazioni Eclipse 7 Stazioni “Record and Verify” ARIA 1 Irradiatore per sacche ematiche Esperienza del nostro Centro Nel nostro centro il contouring degli organi a rischio e la fusione di immagini (da circa 5 anni) viene eseguito da due Tecnici Sanitari di Radiologia Medica. La loro scelta si è basata su: • adesione volontaria • periodo di prova • indicazione del personale medico Esperienza del nostro Centro Criticità • Formazione del personale (assistita, autodidatta, necessita tempi lunghi) Esperienza del nostro Centro Criticità • Avere una postazione di contornamento riservata al personale tecnico • i tecnici dedicati non sono staccati dalla routine (problemi durante i periodi di ferie, malattie etc.) Esperienza del nostro Centro Vantaggi L’impiego del Tecnico di radiologia nelle operazioni di contouring e fusioni di immagini ha portato: • una crescita professionale del personale tecnico • una alternativa alla routine quotidiana • alla velocizzazione delle operazioni di contornamento • un importante aiuto al personale medico Esperienza del nostro Centro Vantaggi • alla formazione sul campo di altri colleghi (Aosta) • corso ECM (teorico-pratico) grazie al contributo della Rete Oncologica Esperienza del nostro Centro Vantaggi • Studio osservazionale prospettico multicentrico della tossicità intestinale, ematologica e urinaria da irradiazione dell’area linfonodale pelvica (IHU WPRT TOX) nel tumore della prostata. – Valutare la tossicità ematologica nei pazienti con carcinoma prostatico sottoposti a radioterapia – Vengono identificate le ossa piatte del bacino e valutata, pre e post radioterapia,la componente corpuscolata del sangue. Bibliografia Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica: “Organi a rischio e constrains di dose” G. Mantello Sghedoni-Fioroni: “Fusioni di immagini PET, CT, MR: dalla clinica alle applicazioni avanzate” Riccardo Ragona: “Fusioni delle immagini in Radioterapia” Lucignani- Del Sole: “Tecniche di fusioni di immagine” F. Martinelli: “Il TSRM e le nuove frontiere dell’ “imaging”
