Pobierz wykład [PDF

Indywidualizacja leczenia
promieniowaniem jonizującym
Paweł Kukołowicz
Zakład Fizyki Medycznej
Plan wykładu
• Jak rozumieć indywidualizację w radioterapii?
• Kilka słów o historii.
• Indywidualizacja
• zagadnienia fizyczne,
• Zagadnienia technologiczne,
• zagadnienia radiobiologiczne.
• Podsumowanie
Indywidualizacja – znak czasów
Fischer Vacuum Fit - individual ski boots
The first boot which fits 100%
Indywidualizacja w radioterapii
terapia radykalna
• Maksymalizacja
kontroli miejscowej (TCP)
• Minimalizacja
skutków ubocznych (NTCP)
Dla każdego pacjenta!
Rozwój radioterapii
• Można patrzeć poprzez
pryzmat indywidualizacji
leczenia
• rozwój
1920
rentgen
1960
kobalt
• technologii
• wiedzy z zakresu
radiobiologii
1990
nowoczesny
akcelerator
2000
hadronoterapia
Rozwój radioterapii
1920
• Radiobiologia
1930
terapia frakcjonowana
N/N0
Krzywa Pucka
1960
2000
promieniowrażliwość
komórek
Przestrzenie indywidualizacji
• Biologia nowotworu (radiobiologia)
• rozkład gęstości komórek klonogennych
• indywidualna promieniowrażliwość komórek
nowotworowych
• dynamika wzrostu (całkowity czas leczenia)
• inne cechy wpływające na wynik leczenia
• Fizyka - przestrzeń dawki
• dopasowanie rozkładu dawki do indywidualnej anatomii
pacjenta
• realizacja zgodna z założonym planem dla konkretnego
pacjenta
Indywidualizacja
• Biologia
• cechy komórek nowotworowych
• cechy komórek (tkanek) prawidłowych
• Fizyka
• metody dostarczania energii promienistej
• kontrolowanie przebiegu napromieniania
Indywidualizacja - fizyka
• Przestrzeń dawki
• konformalizacja rozkładu dawki
• dopasowanie rozkładu dawki do objętości tarczowej
• minimalizacja dawki w narządach krytycznych
• rodzaj promieniowania
• graniczne możliwości selektywnego deponowania
energii
• sposób realizacji leczenia
• precyzja i powtarzalność
Inddywidualizacja leczenia
standardowe leczenie
Odpow iedź
Praw dopodobienstw o
40
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
50
60
70
TCP
40
50
80
90
100
NTCP
60
70
80
90
Daw k a zlecona (Gy)
Jeżeli akceptujemy NTCP = 0.05 → NTCP = 0.24
100
110
120
Leczenie zindywidualizowane
konformalność –Intensity Modulation Radiation Therapy
Odpowiedź
Pr awdopodobieńs two
40
50
60
70
80
90
100
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
40
60
80
Dawka zlecona (Gy)
100
120
Promieniowanie fotonowe
akceleratory liniowe
• Akceleratory liniowe (90%
pacjentów)
• energia 4 MV – 15 MV
• rozkład dawki w fantomie
wodnym w funkcji
głębokości
Ograniczenia!
Techniki z modulacją natężenia
promieniowania
Indywidualizacja poprzez dobór
energii i liczby wiązek
• Koncentracja dawki w
targecie
A.Pirzkall
Minimalizacja
wysokich dawek ochrona narządów krytycznych; problem przylegania
odległość
1,25 MeV
Point spread function
rozkład dawki wokół „punku oddziaływania”
6 MV
15 MV
Ahnesjo A, Acta Oncol. 1988;26,49.
Charakterystyka wiązki
▪ energia
▪ wielkość ogniska
▪ wielkość pola promieniowania
Akcelerator 2 MV
Kolimator wielolistkowy
• Agility Elekta
• 160 listków (2 x 80) o średnicy 0,5 cm w izocentrum
• system Rubicon™ zapewniający duża precyzje
i powtarzalność położenia listka
• wiązki światła z zakresu bliskiego UV, których obraz odbity od rubinowych
kryształów umieszczonych na końcu każdego listka jest rejestrowany przez system
kamer
• szybkość przesuwu do 6,5 cm /sek
• transmisja < 0,5%
• system nadzoru nad spójnością realizacji planu leczenia; szybkość listków, zmienna
moc dawki, położenie ramienia akcelerator (w sumie 8 wielkości jest dynamicznie
kontrolowane)
Kolimator
- precyzja położenia listków
Elekta Synergy
MLCi2
odchylenie
standardowe
wartość
średnia
A. Bertelsen, et al. Medical Physics, 38, 4802, 2011.
Kolimator wielolistkowy - IMRT
R Topolnjak, et al. Phys. Med. Biol. 52 (2007) 169 – 182
Influence of the linac design on intensity-modulated radiotherapy of head-and-neck plans
Tomoterapia
Energia X 6 MV
Tryb leczenia: helical IMRT.
Stała rotacja głowicy oraz
przesów stołu terapeutycznego.
Wiązka promieniowania
40 cm x {1, 2.5 lub 5 cm}.
Wielkość obszaru
napromieniania w osi C-C:
od 1 cm do 140 cm.
Binarny MLC.
Unikalna osłonność aparatu
terapeutycznego.
Obrazowanie:
MVCT (~3.5 MV)
Tomoterapia – kolimator
binarny kolimator zapewnia niemal dowolną modulację
- System binarny (0-1)
własność T.Piotrowski
- Otwieranie/zamykanie sterowane systemem opartym na sprężonym powietrzu
- Czas otwarcia 20 ms
- 64 listki każdy o nominalnej szerokości 6.25 mm w izocentrum
- Grubość listka 10 cm (95% wolframu) transmisja 0.5% w polu i 0.2% poza polem
- Długość kolimatora 40 cm
- 3 szerokości pola (1, 2.5, 5 cm) uzyskiwane dzieki ogranicznikom pola (nie MLC)
Tomoterapia
możliwości
Medulloblastoma
Wielkopolskie Centrum Onkologii
Poznań
Tomoterapia
możliwości
Napromienianie
szpiku kostnego
JCY Wong, et al.
Terapia z uwzględnieniem aktualnej anatomii
- terapia adaptacyjna
Elastyczna (deformable) rejestracja obrazów!
C Lee, et al.
Terapia ruchomych targetów
• Indywidualizacja polega na
• unieruchomieniu targetu (zmniejszenie ruchów)
• napromienianie na wstrzymanym oddechu
• pacjentki z nowotworem piersi
• ucisk w rejonie przepony
• śledzenie położenia targetu
• CyberKnife
• dynamiczna zmiana położenia listków dopasowana do
(przewidywanego) położenia targetu
CyberKnife
Śledzenie położenia znaczników
z zastosowaniem systemu lamp rentgenowskich
lub systemu optycznego
Lampa rtg
detektor
CyberKnife
Śledzenie położenia znaczników
z zastosowaniem detektorów optycznych
umieszczonych na powierzchni ciała
- system predykcyjny
z prezentacji internetowej
z prezentacji internetowej
Kontrola położenia targetu
różne sposoby użycia informacji
• 25 Hz
System Calypso
transponder
źródło fali
elektromagn.
sygnał/detektor
Zastosowanie informacji o położeniu targetu
• Dynamiczna zmiana
dopasowanie kształtu
kolimatora
• Dynamiczna zmiana
położenia pacjenta
• Stół HexaPOD
Translacje x, y, z
Obroty wokół dwóch osi
- oś wertykalna
- oś wzdłużna
M Menten, et al.
Nowe możliwości
fotony
tomoterapia
protony
Podsumowanie
• Dopasowanie rozkładu dawki
• zagadnienie w znacznym stopniu zostało rozwiązane
• przygotowano bardzo zaawansowane rozwiązania
technologiczne, umożliwiające uzyskanie konformalnego
rozkładu dawki
• ciągle jednak istnieją pewne możliwości poprawy
stosowanych rozwiązań
Przestrzenie indywidualizacji
• Biologia nowotworu (radiobiologia)
• rozkład gęstości komórek klonogennych
• indywidualna promieniowrażliwość komórek
nowotworowych
• dynamika wzrostu
Theragnostic imaging for radiation oncology:
dose-painting by numbers
Soren M Benzen, Lancet Oncol 2005; 6 112-117
• Radioterapia, w której dawka jest dostarczana
z uwzględnieniem
• budowy guza nowotworowego
• gęstość komórek klonogennych
• promieniowrażliwość
• dynamiki wzrostu nowotworu
• proliferacja
Guz nowotworowy
• Obrazowanie molekularne
• informacja (pośrednia) o budowie i aktywności
komórek guza
• metabolizm glukozy określany za pomocą badania PET
[18F]FDG
• spektroskopia NMR
• umożliwia odróżnienie hyperplazji od zmiany złośliwej
w gruczole krokowym
Protokoły terapeutyczne
- leczymy „średniego” pacjenta
γ 37%,teoria
TCP
Dfr 2 Gy
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
ln N 0
=
≈4
e
1,00E+08
1,00E+07
1,00E+06
1,00E+09
1,00E+10
Średnia
40
50
60
70
Dawka całkowita (Gy)
80
90
γ 37%,kliniczne ≈ 1
Promieniowrażliwość guzów nowotworowych
frakcja przeżywająca po 2 Gy
Wyleczenie u 37% pacjentów:
1 komórka przeżywająca
Guz w chwili rozpoczęcia leczenia
108 komórek (mały guz)
SF2 = 0,2 → 12 frakcji, 24 Gy
SF2 = 0,4 → 24 frakcje, 48 Gy
SF2 = 0,6 → 36 frakcji, 72 Gy
SF2 = 0,8 → 82 frakcje, 164 Gy
zakres terapeutyczny
dla konwencjonalnej radioterapii
Promieniowrażliwość komórek
w guzach nowotworowych
• Guz nowotworowy nie jest jednorodny
• populacja komórek promieniowrażliwych
• populacja komórek opornych na promieniowanie
• cecha „osobnicza” komórek
• warunki środowiskowe
• hypoksja
• Indywidualizacja wymaga znajomości
promieniowrażliwości komórek
Promieniowrażliwość komórek
- badania in situ
Opublikowano badania, w których nie uzyskano takiej korelacji!
Wells CM, et al.
Promieniooporne komórki guza
• Hypoksja
• komórki bardzo oporne na
promieniowania
Hypoksja
- rozpoznawanie i selektywna terapia
• badanie PET fluorine-18-labeled fluoroazomycin-arabinoside
- [18F]FAZA
obszary zaznaczone na pomarańczowo to obszary hypoksyczne
Hypoksja
- rozpoznawanie i selektywna terapia
• badanie PET fluorine-18-labeled
fluoroazomycin-arabinoside - [18F]FAZA
• IMRT z eksalacją dawki w obszarze
hypoksycznym
Podwyższona
dawka
AL Grosu, et al.
Hypoksja
- dose painting by numbers
SM Bentzen, Lancet Oncol. 2005;6,112-116
Określanie targetu
• Gross Tumour Volume
• efekt jest związany z dawką zaabsorbowaną w GTV
PET-CT
- większa precyzja w określaniu targetów
T Konert, Radiotherapy and Oncology, 2015
Odpowiedź tkanek prawidłowych
- indywidualizacja
Appelt AL., et al. Acta Oncologica, 2014; 53:605-612.
Podsumowanie
• Indywidualizacja leczenia
• dopasowanie rozkładu dawki do anatomii pacjenta
• zagadnienie niemal rozwiązane
• precyzyjna informacja anatomiczna
• urządzenia hybrydowe
• sterowanie wiązką terapeutyczną
• IMRT + IGRT
• zastosowanie protonów i jonów
• wymaga pełnego opanowania możliwości
technologicznych
Podsumowanie
• Indywidualizacja leczenia
• radiobiologia nowotworu i tkanek prawidłowych
• wiele nagromadzonej wiedzy
• niestety generalnie ciągle jesteśmy na etapie „filatelistyki”
• wielkie nadzieje związane z osiągnięciami z przestrzeni
• medycyny nuklearnej
• biologii molekularnej
Bardzo dziękuję za uwagę!
[email protected]